工艺技术 市政净水厂浓盐水零排放工程设计[SWRO+MVR]

内蒙古某市能源矿产资源富集，形成了以煤炭、电力、化工、建材、冶金等能源重化工产业为主的支柱产业体系。其经济开发区配套的生活净水厂总产水规模为14 000 m3/d，取水水源为某电厂地下水源井。


由于原水中总溶解性固体（TDS）、硬度和硫酸根离子含量高于《生活饮用水卫生标准》（GB 57489— 2006）中的要求，因此该净水厂除常规混凝、沉淀、过滤工艺外，采用了双膜法（UF+RO）对原水进行脱盐处理，净水厂反渗透产生的浓水及含泥水作为废水排入市政污水系统。由于当地水资源匮乏、环境容量较小、生态相对脆弱，特别是近年来，随着一批大型煤化工项目的开工投产，用水量逐年增加，对环境和生态的压力也逐渐显现。因此在当前严峻的形势下，提高废水的回用率，发展污水“零排放”十分必要。

1 设计水量及进出水水质

目前该净水厂反渗透系统产水率为70%，浓水量约5 000 m3/d，原水浓缩倍数为3.33。净水厂原水进水水质和“零排放”系统设计进水水质见表 1。




“零排放”系统出水主要回用于经济开发区杂用水和工业用水，执行《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）和《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）标准，主要出水指标见表 2。




2 工艺选择

目前常用的“零排放”工艺为膜浓缩后进行蒸发结晶。蒸发结晶常用工艺包括多效蒸发结晶和蒸汽机械再压缩蒸发结晶等，此类工艺造价投资远高于一般膜浓缩工艺，且运行费用高昂，吨水处理费用高达数十元。

为了降低蒸发结晶设备的规模，本项目在前端增设浓盐水浓缩工艺，利用膜装置对系统进水进一步浓缩。

净水厂“零排放”系统进水TDS≤5 000 mg/L，参照以往相关项目经验，可利用膜系统将原水浓缩10倍至TDS≤50 000 mg/L，后进蒸发结晶系统。

目前常见的用于浓缩的膜系统包括普通的苦咸水RO、海水淡化反渗透膜（SWRO）和碟管式高压膜（DTRO）等，分别针对不同的TDS、原水污染物质等可供选择。本系统进水TDS≤5 000 mg/L，可利用普通的苦咸水RO系统首先进行浓水浓缩3.3倍后达到TDS≤ 16 700 mg/L，再利用SWRO系统将该部分浓盐水浓缩3倍至TDS≤50 000 mg/L后，进入蒸发结晶系统进行最终的结晶处理。

因此本项目选用的工艺为“预处理+苦咸水RO+SWRO浓缩+蒸发结晶”。

2.1 “零排放”系统预处理

由于原水为净水厂的反渗透浓水，主要污染物包含浊度及硬度，为降低后续膜处理系统的污染，预处理应针对主要污染物进行选择。目前常见的硬度去除方法包括化学除硬、离子交换法等，本系统进水硬度高达3 000 mg/L，不适宜直接采用离子交换法进行除硬，故采用石灰、纯碱软化法降低来水的硬度至100 mg/L。原水经澄清池加药去除大部分硬度和浊度后，进入多介质过滤器进一步降低水中浊度，使其 < 1 NTU，满足后续工艺处理要求。

由于本系统浓缩倍数较高，为了避免有机物和SiO2对后续RO膜和SWRO膜造成污堵，拟在预处理阶段彻底去除水中硬度，以实现后段膜处理可以在碱性条件下运行，因此工艺水在经过多介质过滤器装置过滤后进入钠床处理以彻底除硬。

2.2 “零排放”系统苦咸水反渗透

苦咸水反渗透系统作为目前一种常用的脱盐工艺，一般会在其装置前增设超滤装置，去除胶体污染物。超滤膜作为反渗透系统的重要预处理装置，其优异的出水水质、极低的SDI可明显降低反渗透膜污染，延长反渗透膜使用寿命。

由于自来水浓水为洁净废水，无特殊絮状物等污堵物质，因此采用普通外压式PVDF优质超滤膜工艺，保证超滤出水SDI < 3后，再进入反渗透装置进行除盐。

本项目原水中TDS为5 000 mg/L，考虑到膜的压力耐受能力，RO系统回收率采用70%，RO浓水TDS设计值为16 000 mg/L，进入后续膜浓缩装置进一步浓缩。

2.3 SWRO膜浓缩

本项目在预处理阶段已基本去除硬度，因此可在SWRO阶段采用高pH运行模式。

由于膜的Zeta电位变为很强的负电，而大部分天然颗粒带负电，负电相斥，所以颗粒很难附着在膜的表面。在高pH条件下浓水通道的水力条件已变化，膜表面的层流边界层变薄，颗粒置于膜表面的湍流层而被冲走。

此外，在高pH条件下，大多数生物“溶解”或遭破坏，可有效避免有机污染；同时有机硅溶解度提高，可最大程度降低有机硅的污染性。

因此，通过前期预处理完全除硬后，可实现膜浓缩阶段在高pH条件下运行，避免了有机污染。本项目膜浓缩段采用SWRO对苦咸水阶段的浓水进一步浓缩，浓缩倍数为3，SWRO浓水TDS为48 000 mg/L。

2.4 蒸发结晶系统

蒸发结晶的高含盐废水主要来自膜浓缩单元产生的浓盐水，这部分废水含盐量高，不能利用。因此蒸发结晶是实现浓水“零排放”的最终途径。

目前，常用的结晶工艺有多效蒸发（MEE）和机械蒸汽再压缩（MVR，也称高效蒸发结晶），两类工艺各有利弊。

MEE的特点是几个蒸发器连接起来，前一级蒸发器所产生的二次蒸汽作为后一级蒸发器的加热热源，包括并流、平流、逆流和错流几种类型。多效蒸发分离效果好，操作可靠，主要动力源为蒸汽；

MVR采用离心式蒸汽压缩机对二次蒸汽进行压缩，使二次蒸汽温度提高10~18 ℃以上，用作系统蒸发热源。在装置启动过程中需供给生蒸汽，正常运行后不再需要生蒸汽供给，以电能为主要动力。与MEE相比，设备价格较高，占地面积少，能耗低，运行成本少。

根据所处理物料规模、操作方式及经济性等综合考虑，本项目处理工艺选择MVR工艺，将母液最终干化为混盐后外运处置。

2.5 工艺流程

综上，“零排放”系统水量平衡图见图 1。




净水厂反渗透浓水首先进入调节池，经过水质水量调节后自流进入机械澄清池，向澄清池中投加纯碱及石灰，对水中的硬度进行软化去除。

澄清池的上清液自流进入中间水池，经提升进入多介质过滤器，去除水中的浊度，使之达到 < 1 NTU。多介质过滤器出水进入钠床，利用离子交换原理彻底清除水中硬度。

钠床出水流入超滤原水池，经提升泵提升，首先经过自清洗过滤器，对水中可能残留的颗粒、悬浮物进行截留，起到保安作用。经自清洗过滤器后进入超滤装置，去除废水中的生物污染物、颗粒物、胶体、浊度、细菌等，满足反渗透系统的进水水质。超滤装置的产水率为90%，定时清水反洗和加药反洗，每隔3~6月对膜进行1次化学清洗，清除膜表面污堵。

超滤装置的产水进入超滤产水池，经超滤水提升泵提升，提升泵出口设置管道混合器，向其投加还原剂和阻垢剂，避免其伤害反渗透膜；加药后的水经过保安过滤器和高压泵后进入反渗透膜堆，反渗透膜堆产水进入产品水池，浓水进入RO浓水池。反渗透水回收率为70%，脱盐率大于95%。

RO浓水池的水经浓水提升泵提升后投加阻垢剂，避免水中浓缩后的盐在膜表面结垢，再经过浓水保安过滤器和高压泵后进入浓水反渗透膜堆，产水进入产品水池。浓水反渗透水回收率为40%，脱盐率大于95%。

产品水池的水经回用水泵提升送至界区外，最终送至各用水点。浓水反渗透产生的浓水则经泵提升至浓盐水蒸发及结晶装置进行进一步处理。

3 主要装置及设计参数

（1）调节池。1座，调节来水的水质水量。有效容积为150 m3，HRT为0.7 h。设置提升泵2台，1用1备，单台流量为230 m3/h，扬程为20 m。

（2）机械澄清池。2座，通过向澄清池中投加烧碱及石灰，对水中的硬度进行软化去除。单座池体处理水量为120 m3/h，直径为7.5 m，有效水深为4.85 m。澄清池总停留时间为1.5 h，清水分离室清水上升流速为1 mm/s。每座池子设置JJ-120型澄清池搅拌机1台，叶轮直径为1.5 m，叶轮高度为800 mm，功率为1.5 kW。

（3）钠床成套装置。3台，2用1备。单台处理水量为115 m3/h，直径为2.5 m，表面流速为22 m/h。树脂类型为弱酸型，型号Purolite C 104，单台反应器树脂填充体积为5.39 m3，再生药剂为HCl和NaOH。

（4）外压式UF装置。2台，单台产水量为105 m3/h。选用进口PVDF材质外压式膜，膜通量 < 50 L/（m2·h），产水率 > 90%。设置反冲洗水泵2台，1用1备，单台流量为180 m3/h，扬程为20 m。

（5）UF产水池。1座，有效容积为150 m3，HRT为0.7 h。设置RO提升泵2台，1用1备，单台流量为210 m3/h，扬程为30 m。

（6）反渗透装置。1套，选用进口卷式平板膜，产水率为70%。设置保安过滤器2台，单台流量为105 m3/h；高压泵2台，单台流量为105 m3/h，扬程为180 m。RO冲洗泵2台，1用1备，单台流量为100 m3/h，扬程为30 m。

（7）产品水池。1座，有效容积为420 m3，HRT为2 h。设置回用水提升泵3台，2用1备，单台流量为105 m3/h，扬程为30 m。

（8）浓水池。1座，将反渗透装置排出的浓水进行收集。有效容积为150 m3，HRT为1 h。设置SWRO提升泵2台，1用1备，单台流量为60 m3/h，扬程为30 m。

（9）SWRO膜浓缩系统。1套，选用卷式平板膜，产水率为70%，型号SW30XLE-400。设置保安过滤器1台，单台流量为55 m3/h；高压泵1台，单台流量为55 m3/h，扬程为350 m；段间增压泵1台，单台流量为25 m3/h，扬程为200 m；SWRO冲洗泵2台，1用1备，单台流量为50 m3/h，扬程为30 m。

（10）MVR蒸发结晶系统。1套，对膜浓缩单元产生的浓水进行蒸发结晶处理。系统处理量为20 m3/h，进料含盐质量浓度为46 000 mg/L。其中降膜加热器2台，规格为700 m2，材质管程为TA2，壳程为304不锈钢；降膜蒸发室2台，规格为20 m3，材质为2205双相不锈钢；升膜加热器2台，规格为144 m2，材质管程为TA2，壳程为304不锈钢；蒸发结晶室1台，规格为12 m3，材质为2205双相不锈钢。蒸发结晶最终产生的固体杂盐量为25 t/d，作为危废委外处置。

4 工程投资及运行费用

本项目直接工程费用为3 420万元，其中土建费用1 000万元（不含地基处理），设备购置及安装费用2 420万元。主要运行费用包括药剂费（2.18万元/d）、膜更换维修费（0.68万元/d）、电费（2.81万元/d）、固体杂盐委外费（11.50万元/d）处置等直接费用约17.18万元/d，折合吨水成本为34.36元。

5 运行效果

目前浓盐水零排放系统进水水量为4 600 m3/d，进水TDS为4 250 mg/L。本工程预处理系统和苦咸水RO系统已调试运行投产使用，SWRO膜浓缩系统和MVR蒸发结晶系统暂未完成调试运行。

现系统回用水产水量为3 350 m3/d，系统脱盐率大于98%，回用水水质达到《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）和《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）标准。苦咸水反渗透工段回收率为72%，反渗透浓水量为1 675 m3/d，TDS为15 180 mg/L。