鋅冶煉廢水反滲透高倍濃縮工藝改造技術(shù)
《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》要求有色金屬行業(yè)提高廢水資源化循環(huán)利用率，廢水中主要污染物排放強(qiáng)度降低10%，單位工業(yè)增加值用水量降低16%，而制約有色金屬行業(yè)廢水資源化的主要污染物是總?cè)芙庑怨腆w（TDS）和氯化物，傳統(tǒng)方法無法有效處理，若廢水外排勢必造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。《鉛鋅冶煉廢水治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ2057—2018）指出，鉛鋅冶煉廢水主要污染物為酸、重金屬、懸浮物等，常規(guī)處理方法多采用石灰（石）中和。然而，石灰中和法易導(dǎo)致出水鹽度和鈣離子濃度顯著升高，不僅制約鉛鋅冶煉廢水的資源化回用，還會(huì)引發(fā)設(shè)備結(jié)垢腐蝕，存在潛在安全隱患。
有報(bào)道指出，鉛鋅冶煉廢水資源化可采用“預(yù)處理+膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶”工藝，且提高廢水膜濃縮倍數(shù)可降低后續(xù)工序的投資規(guī)模和運(yùn)行成本。目前對工業(yè)廢水零排放或資源化研究較多，但膜高倍濃縮過程存在的問題及工藝改造實(shí)例鮮有報(bào)道。本研究以西南地區(qū)某鋅冶煉廢水反滲透高倍濃縮工程為例，指出原反滲透濃縮方案存在的問題，提出工程改造方案以供借鑒。
1、工程概況
1.1 工程概況
某鋅冶煉廠采用浸出-凈化-電積-熔鑄的濕法提鋅工藝，經(jīng)多階段改擴(kuò)建后，形成12萬t/a的電鋅生產(chǎn)規(guī)模，同時(shí)伴隨煙氣制酸?；厥真k、鉛、鍺、銦等副產(chǎn)品。廠區(qū)廢水處理站分為生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)。生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)采用“兩段石灰中和+石灰鐵鹽，輔以CO2+NaOH脫鈣軟化工藝”，出水部分回用，余下進(jìn)入深度處理系統(tǒng)。深度處理系統(tǒng)采用“納濾+樹脂軟化+兩級(jí)RO工藝”，產(chǎn)水回用，濃水沖渣消耗。目前深度處理系統(tǒng)運(yùn)行不暢，產(chǎn)水率低，僅為30%，部分設(shè)施無法開機(jī)，經(jīng)分析引起這些問題的主要原因有以下幾個(gè)方面：
1）工藝路線選擇不合理，水資源回收率低。一般而言，納濾裝置主要作用是分離一、二價(jià)離子，與本工程深度處理濃水減量的關(guān)鍵目標(biāo)不相符。另外，納濾濃水回流造成RO進(jìn)水鹽分累積，偏離RO裝置設(shè)計(jì)參數(shù)。
2）超濾設(shè)備選型與參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)。現(xiàn)場超濾設(shè)備為內(nèi)壓式，膜絲材料脆，不適用污水深度處理，污水回收率不足90%，膜絲在反洗時(shí)易出現(xiàn)空氣摩擦斷絲。
3）反滲透設(shè)備選型與參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)。一級(jí)RO裝置選用BW苦咸水膜，不適合設(shè)計(jì)工況，一級(jí)RO高壓泵184m的揚(yáng)程偏低，無法滿足進(jìn)水壓力要求。
4）軟化裝置樹脂選型不當(dāng)。普通鈉型陽離子樹脂，易受到高TDS廢水污染并“中毒”，失去交換容量。
針對上述問題對原污水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)處理水量為720m3/d，濃水量≤120m3/d，產(chǎn)水執(zhí)行《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50050—2017）表6.1.3限值，全部回用為循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水。為滿足現(xiàn)場節(jié)水要求，改造后系統(tǒng)采用兩級(jí)RO工藝以提高產(chǎn)水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污水資源化回用。
1.2 進(jìn)出水水質(zhì)
本改造工程的主要進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)見表1。
2、工程改造
2.1 改造思路
基于廢水水質(zhì)特征，本次工程改造主要目的為控制濃水量和保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，并盡可能地利用現(xiàn)有設(shè)施，具體改造思路如下：
1）提高水回收率，控制濃水量≤120m3/d。拆除納濾工序；更換一級(jí)RO膜，選擇SW海淡膜，并提高進(jìn)水壓力至3.8MPa；增加碟管式反滲透（DTRO）對一級(jí)RO濃水進(jìn)一步濃縮減量（DTRO適用于有機(jī)污染物富集、卷式RO無法進(jìn)一步濃縮的廢水），控制濃水產(chǎn)率≤15%，產(chǎn)水率≥68%，膜系統(tǒng)的廢水返回率≤17%。
2）更換超濾裝置，以適應(yīng)污水工況，保證超濾裝置的正常運(yùn)行。選用材質(zhì)為PVDF的外壓式超濾膜，其具有抗污染強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
3）選用螯合樹脂交換柱，提高脫鈣軟化效果，控制樹脂產(chǎn)水Ca2+≤10mg/L。深度處理系統(tǒng)進(jìn)水Ca2+質(zhì)量濃度40mg/L，若直接進(jìn)入RO濃縮，濃水Ca2+質(zhì)量濃度將高達(dá)160mg/L，極易結(jié)垢，造成RO膜污堵。因此，選用螯合樹脂交換柱將RO進(jìn)水Ca2+控制在≤10mg/L。
2.2 工藝流程
針對原系統(tǒng)存在的問題和處理要求，改造工程采用“中、高壓反滲透濃縮減量+低壓反滲透脫鹽淡化”的處理工藝，反滲透濃縮減量裝置主要包含多介質(zhì)過濾器+超濾+螯合樹脂+中壓（一級(jí)）RO裝置+高壓DTRO裝置；脫鹽淡化裝置主要包括低壓（二級(jí)）RO裝置，具體工藝流程如圖1所示。
深度處理系統(tǒng)進(jìn)水依次經(jīng)多介質(zhì)過濾器、超濾裝置過濾，產(chǎn)水進(jìn)入超濾產(chǎn)水箱，超濾產(chǎn)水經(jīng)樹脂軟化，存于樹脂產(chǎn)水箱，樹脂產(chǎn)水經(jīng)泵加壓進(jìn)入一級(jí)RO裝置濃縮，一級(jí)RO濃水經(jīng)泵加壓進(jìn)入DTRO裝置，DTRO濃水送淬渣消耗，完成廢水的濃縮過程；一級(jí)RO產(chǎn)水、DTRO產(chǎn)水送至一級(jí)RO產(chǎn)水箱，進(jìn)而通過水泵送入二級(jí)RO裝置進(jìn)一步脫鹽，二級(jí)RO濃水返回樹脂產(chǎn)水箱，產(chǎn)水用作生產(chǎn)水；多介質(zhì)過濾器反洗水、超濾濃水、樹脂廢水排入廢水收集池并返回生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)，酸再生液單獨(dú)收集至酸再生液收集池并返回生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)中和段。
廢水經(jīng)超濾、樹脂脫鈣處理后，SDI≤3、濁度<0.5NTU、Ca2+質(zhì)量濃度≤10mg/L，達(dá)到RO進(jìn)水要求并顯著改善膜濃縮側(cè)的硫酸鈣結(jié)垢問題，延長了膜的清洗周期，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
2.3 物料平衡計(jì)算
膜濃縮工藝設(shè)備選型前，需根據(jù)工藝流程對各工序物料（水量及鹽）進(jìn)行模擬計(jì)算，以期為設(shè)備選型提供數(shù)據(jù)支撐。本改造工程物料平衡計(jì)算見表2。
RO裝置的產(chǎn)水量、水質(zhì)受進(jìn)水TDS影響，由表2可知，一級(jí)RO產(chǎn)水與DTRO產(chǎn)水混合后TDS為360mg/L，不滿足回用水要求，因此增設(shè)低壓RO裝置對一級(jí)RO、DTRO產(chǎn)水脫鹽淡化至TDS≤100mg/L，實(shí)現(xiàn)廢水的回用。
3、主要構(gòu)筑物及設(shè)備選型
根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)和表2中各工序模擬計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合存在的問題，進(jìn)行設(shè)備選型。本改造工程主要設(shè)施包括多介質(zhì)過濾器、超濾裝置、樹脂裝置、反滲透裝置、廢水收集池等。
1）多介質(zhì)過濾器，去除水中懸浮物。該設(shè)備為工程舊設(shè)施，填料過濾器3座，碳鋼防腐。D×H=2.0m×3.6m，濾速6.5m/h。
2）超濾裝置，截留水中膠體和大分子有機(jī)污染物等，使產(chǎn)水濁度<0.5NTU、SDI≤3。改造工程選用外壓式超濾裝置，采用錯(cuò)流過濾，2套，10支/套，膜元件材質(zhì)為PVDF。每套設(shè)計(jì)流量為20m3/h，設(shè)計(jì)產(chǎn)水率（R）≥92%。
3）超濾產(chǎn)水箱，臨時(shí)存儲(chǔ)超濾裝置的產(chǎn)水。碳鋼防腐水箱1座。D×H=3.5m×5.5m，有效容積50m3，HRT=1h。
4）樹脂軟化裝置，降低水中的總硬度至10mg/L以下。樹脂軟化器2臺(tái)，利用原碳鋼殼體，樹脂更換為螯合樹脂。D×H=14m×5m，每臺(tái)軟化器流量為50m3/h，濾速20m/h。
5）樹脂產(chǎn)水箱，臨時(shí)存儲(chǔ)樹脂軟化產(chǎn)水。碳鋼防腐水箱1座。D×H=3.5m×5.5m，有效容積50m3，HRT=1h。
6）一級(jí)RO裝置，對廢水進(jìn)行初步濃縮。RO裝置1套。采用SW30卷式海淡膜，36支/套，一級(jí)兩段、段間增壓，一段膜元件4×6、二段2×6，膜材質(zhì)為芳香族聚酰胺，600psi膜殼；最大運(yùn)行壓力3.5MPa，設(shè)計(jì)產(chǎn)水率R≥68%，設(shè)計(jì)脫鹽率≥98.5%。
7）一級(jí)RO產(chǎn)水箱、濃水箱，臨時(shí)存儲(chǔ)一級(jí)RO裝置的產(chǎn)水、濃水。碳鋼防腐水箱1座。D×H=3.5m×5.5m，有效容積50m3，HRT=1h。
8）DTRO裝置，對一級(jí)RO濃水高倍濃縮減量。DTRO裝置2套并聯(lián)。采用BW30碟管式，30支/套，膜材質(zhì)為芳香族聚酰胺，單支膜面積9.405m2；最大運(yùn)行壓力12MPa，設(shè)計(jì)脫鹽率≥97%，設(shè)計(jì)產(chǎn)水率R≥55%。
9）DTRO濃水池，收集DTRO濃水，然后送水淬渣工序并沖渣消耗。該設(shè)施為原有鋼筋混凝土水池1座，半地下式，有效容積5000m3，HRT=50d。
10）二級(jí)RO裝置，對一級(jí)RO、DTRO產(chǎn)水深度脫鹽淡化。二級(jí)RO裝置1套。PURO-1卷式膜，36支/套，一級(jí)兩段，一段膜元件4×6、二段2×6，膜材質(zhì)為芳香族聚酰胺，300psi膜殼；最大運(yùn)行壓力1.2MPa，設(shè)計(jì)脫鹽率≥98.5%，設(shè)計(jì)產(chǎn)水率R≥75%。
11）二級(jí)RO產(chǎn)水池，收集二級(jí)RO產(chǎn)水，回用于生產(chǎn)。該設(shè)施為工程利舊，鋼筋混凝土水池1座，半地下式，L×B×H=6.3m×4.2m×4.2m，有效容積100m3，HRT=6h。
12）廢水收集池，對多介質(zhì)過濾器、超濾裝置、膜清洗等深度處理車間排水進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，返回生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)。該設(shè)施為工程利舊，鋼筋混凝土水池1座，半地下式，L×B×H=6.3m×6m×4.2m，有效容積140m3，HRT=1d。
13）酸再生液收集池，單獨(dú)收集酸再生廢液，返回生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)的中和段。該設(shè)施為工程利舊，鋼筋混凝土水池1座，半地下式，L×B×H=6.3m×3m×4.2m，有效容積72m3，HRT=3d。
4、運(yùn)行效果
本工程已于2022年底投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水水質(zhì)見表3，并與出水標(biāo)準(zhǔn)作比較。
由表2、表3可知，系統(tǒng)外排濃水量≤120m3/d，濃水外排率≤15%，膜系統(tǒng)產(chǎn)水率≥68%，系統(tǒng)脫鹽率≥98%，產(chǎn)水TDS低至26mg/L，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)限值，可直接作為循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水回用于生產(chǎn)。
5、工程投資及運(yùn)行成本
本改造工程建設(shè)投資：工程費(fèi)用1085.96萬元、其他建設(shè)費(fèi)用114.98萬元、預(yù)備費(fèi)84.07萬元，合計(jì)為1285.01萬元。
運(yùn)行成本：1）噸水電耗8.53kW·h，電價(jià)0.4元（/kW·h），則噸水電費(fèi)3.41元；2）膜系統(tǒng)噸水藥劑費(fèi)1.03元；3）定員4人，工資72000元（/人·a），按330d運(yùn)行，則噸水人工費(fèi)1.21元；3）噸水修理及其他費(fèi)用3.00元；4）廢水資源化收益，回用水488m3/d，水價(jià)1.5元/m3，折合噸水收益1.02元。噸水運(yùn)行成本為7.63元（扣減收益后）。本改造工程實(shí)現(xiàn)了廢水資源化，產(chǎn)水用作循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水，用以改善并輕質(zhì)化全廠水平衡，或可作為化水站補(bǔ)水，降低化水站運(yùn)行負(fù)荷，具有明顯的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。
6、結(jié)語
1）采用“中、高壓反滲透濃縮減量+低壓反滲透脫鹽淡化”的處理工藝可實(shí)現(xiàn)鋅冶煉廢水高倍濃縮，產(chǎn)水TDS26~37mg/L、總硬度（以CaCO3計(jì)）2~8mg/L、電導(dǎo)率34.8~78.2μS/cm，出水水質(zhì)優(yōu)于GB/T50050—2017標(biāo)準(zhǔn)限值，實(shí)現(xiàn)了廢水資源化，系統(tǒng)濃水量小于120m3/d。
2）本改造工程針對原系統(tǒng)產(chǎn)水率低，出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問題，以各工序物料（水量及鹽）的模擬計(jì)算為依據(jù)，進(jìn)行工藝及設(shè)備改造，拆除納濾裝置、更換超濾設(shè)備及軟化裝置的樹脂類型、重新選擇反滲透設(shè)備型號(hào)，使系統(tǒng)脫鹽率達(dá)到98%，產(chǎn)水率達(dá)到68%，外排水率低于15%，為鋅冶煉廢水反滲透膜高倍濃縮提供借鑒。
3）本改造工程的噸水運(yùn)行成本為7.63元（扣減收益），實(shí)現(xiàn)了廢水資源化，產(chǎn)水用作循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水，用以改善并輕質(zhì)化全廠水平衡，或可作為化水站補(bǔ)水，降低化水站運(yùn)行負(fù)荷，具有明顯的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。（來源：長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙華時(shí)捷環(huán)保科技發(fā)展股份有限公司）
建樹環(huán)保是一家專注于水污染治理、大氣污染治理及環(huán)境專用設(shè)備制造與銷售的建設(shè)工程施工企業(yè)，建樹環(huán)保持有環(huán)保工程專業(yè)承包二級(jí)資質(zhì)和安全生產(chǎn)許可證，為客戶從“方案設(shè)計(jì)”、“工程施工”、“安裝調(diào)試”、“售后服務(wù)”環(huán)節(jié)提供服務(wù)。聯(lián)系電話：135 5665 1700。 
