煤化工脱盐水站中水回用工艺设计

任同伟，刘孟博

（1.北京汇恒环保工程股份有限公司，北京 100029；2.维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213000）

脱盐废水一般指的是高盐废水在经一系列脱盐工艺处理后产生的浓盐水，这类废水具有高盐、高硬度等特点[1-2]。目前，我国人均水资源占有量仅2 300 m3，而大规模发展的煤化工产业用水量高达2 000～3 000 万m3，吨产品耗水在10 吨以上[3-4]。煤化工企业作为用水大户，水资源的再利用对企业来说非常重要。某煤化工企业园区内废水在经脱盐水站后产生了大量脱盐废水，为减少废水排放，资源化回收脱盐废水，特在煤化工厂区内设置中水回用站，以解决用水问题。本文主要研究了煤化工脱盐水站中水回用工艺设计。

1 水质和水量

本项目来水包含循环水站排水及除盐水站排水，处理规模为250 m3/h，进水水质及出水标准如表1所示，其中出水水质指标优于“工业循环冷却水处理设计规范”（GB/T 50050—2017）中再生水水质指标。

表1 回用水站进水水质及出水标准

2 主要工艺单元及原理

2.1 软化澄清池

软化澄清池采用污泥外循环软化澄清池技术。软化澄清池是一种利用物理/化学处理和特殊的絮凝和沉淀体系，达到快速沉淀的污水处理工艺。该工艺将快速混合、絮凝反应、沉淀分离进行综合，其核心是利用池中聚集的泥渣，通过池外回流与水中的颗粒进行相互接触、吸附，加速颗粒絮凝，促进杂质颗粒的快速分离，结合斜板或斜管，加速沉淀过程，实现高效的固液分离[5-6]。

水中钙镁离子含量的总和称为总硬度，可分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两种：碳酸盐硬度是以酸式碳酸盐形式存在的部分，主要是由钙镁离子的碳酸氢盐所形成的硬度，还有少量的碳酸盐硬度，碳酸氢盐硬度经加热之后分解成沉淀物从水中去除，故亦称为暂时硬度；非碳酸盐硬度主要是由钙镁离子的硫酸盐、氯化物和硝酸盐类所形成的硬度，这类硬度不能用加热分解的方法去除，故也称为永久硬度，如硫酸钙、硫酸镁、氯化钙、氯化镁、硝酸钙、硝酸镁等。水中除硬的反应顺序：酸碱反应和缓冲溶液反应>碳酸钙沉淀>氢氧化镁沉淀。

为在软化澄清设施中高效去除水中钙镁离子以及呈胶体状态的微细悬浮物，在其工艺前的混凝池和絮凝池中投加药剂并进行机械搅拌，进行物理化学反应，达到所需工艺条件。常用软化药剂有石灰、纯碱和烧碱。本项目中水部分除硬采用“双碱法”，只需投加液碱，一来可以减少药剂的投加，减少运行成本；二来可以减少污泥的产生，减少污泥处置费用。

2.2 多介质过滤器

多介质过滤器是采用石英砂和无烟煤作为填料，去除水中的杂质，具有过滤阻力小、比表面积大、耐酸碱性强、抗污染性好等优点。多介质过滤器的独特优点还在于通过优化滤料和过滤器的设计，实现了过滤器的自适应运行，滤料对原水浓度、操作条件、预处置工艺等具有很强的自适应性，即在过滤时滤床自动形成上疏下密状态，有利于在各种运行条件下保证出水水质，反洗时滤料充分散开，清洗效果好。

过滤器可有效去除水中的悬浮物，并对水中的胶体、铁、有机物、农药、锰、细菌、病毒等污染物有明显的去除作用，特别是能有效地去除沉淀技术不能去除的微小粒子和细菌等，并具有过滤速度快、过滤精度高、截污容量大等优点[7-8]。

2.3 超滤

超滤膜是利用纳米级的物理孔径在一定的压力作用下，对料液中的物质进行分离、净化、纯化和浓缩的一个纯物理过程。超滤可以去除悬浮物、胶体、浊度、有机物、细菌和大肠杆菌等杂质。目前超滤膜技术已经用于海水淡化、中水回用、反渗透系统的预处理、冷凝水处理和超纯水的制备等[9-11]。

随着水处理技术的不断发展，反渗透的预处理由传统的机械粗过滤发展到了以超滤技术为核心的精密预处理。超滤膜具有0.1～0.001 μm 的过滤孔径，可以去除原水中几乎所有的细菌、微生物、病毒、大肠杆菌以及一些大分子的有机物和水中所有不溶解性的胶体等，使处理出水浊度≤0.1 NTU，SDI≤3，可延长后续膜元件的使用寿命，而且保证了稳定的产水量和脱盐率。

2.4 反渗透

反渗透（RO）半透膜具有选择透过性，能够允许溶剂通过而阻留溶质，RO正是利用了半透膜的这一特性，以膜两侧的压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂透过而截留溶质，从而实现浓液和清液的分离。该过程无相变，一般不需要加热，工艺简便，能耗低，不污染环境。目前，反渗透通常与超滤组合使用，常用于处理含盐废水[11-13]。

RO即在进水（浓溶液）侧施加压力以克服自然渗透压，当高于渗透压的操作压力施加于进水侧时，水分子自然渗透的流动方向就会逆转，进水中的水分子部分通过反渗透膜而成为净化产水。

3 工艺流程及说明

3.1 工艺流程图（图1）

图1 工艺流程图

3.2 工艺流程说明

本项目由维尔利环保科技集团股份有限公司进行工艺设计，采用“软化澄清+多介质过滤器+超滤+反渗透”的工艺流程。来水进入本系统的调节水池进行均质均量调节后，经泵输送至软化澄清池进行化学除硬并沉淀。通过向软化澄清池系统投加氢氧化钠、混凝剂、除硅剂、絮凝剂等药剂与水中钙离子、镁离子和碳酸氢根反应生成沉淀而去除水中的钙硬度、镁硬度和碱度；反应后的水流入斜管沉淀区中进行固液分离，斜管沉淀区出水进入中和水池并投加少量盐酸调节废水的pH至8左右。

多介质过滤器出水进入滤后产水池，滤后产水池出水加压后进入自清洗过滤器处理，拦截进水管网中的大颗粒物质，然后进入超滤装置单元（UF），进一步去除原水中的悬浮物、胶体、细菌、大分子有机物，满足反渗透装置进水要求。超滤出水进入超滤产水池，超滤产水池出水加压后进入一级反渗透（RO）处理。

一级反渗透的产水进入RO 产水池，回用至循环水站。一级反渗透的浓水送至RO浓水池，浓水经泵提升后送本EPC项目污水处理站监控水池，和污水处理站排水汇合后经泵排至园区污水处理站。反渗透回收率≥75%。

其余生产单元的冲洗水、反洗水、化学清洗水（多介质过滤器反洗水、自清洗过滤器冲洗水、超滤系统反洗水、反渗透反洗水、超滤和反渗透化学清洗水）全部收集后进入反洗水池，再经泵提升至中水调节水池进行循环处理，以提高系统产水率，减少系统外排水量。

软化澄清池的排泥经污泥泵提升排至污泥池储存，泵送至污泥调理池加药调理之后再用螺杆泵送入全自动高压隔膜压榨板框脱水机进行脱水处理，泥饼用车外运处置，滤液及冲洗水排至回用水站前端进行循环处理。

4 主要构筑物及参数

（1）中水调节池。中水调节池设置1 座，钢砼结构，停留时间大于4 h，封闭形式：不封闭，流量为250 m3/h。中水调节池的作用是均质和均量，在调节池中储存一定时间，就会把该段时间的水质调节均匀，使该废水以稳定的水量、水质进入后续处理设施。

（2）软化澄清池。软化澄清池设置2 座，钢砼结构，总进水量为290 m3/h，包括混合区、混凝区、絮凝区、沉淀区以及中和反应区。污水首先进入混合池，与投加的混凝剂进行快速混合。混合后的污水进入絮凝反应池，在此投加高分子絮凝剂，并与沉淀池回流的污泥进行快速搅拌，完成絮凝反应，循环固体可加速絮凝过程并促进密实、均匀的絮体颗粒形成。随后水流从絮凝反应池流至沉淀池的预沉降区，污泥进入沉淀池底部。清水通过斜板（管）流至顶部的集水槽；大部分悬浮固体在预沉降区直接分离，剩余的絮凝颗粒在斜板（管）中去除。底部设置带栅条浓缩功能的刮泥机，浓缩污泥一部分回流到快速混合池出水端，剩余的高浓度污泥排放处理。

（3）中间水池。为稳定多介质过滤器进水流量，设置中间水池1 座，钢砼结构，与软化澄清池共壁。进水水量290 m3/h，停留时间不少于60 min，。池内设置液位计。

（4）滤后产水池。滤后产水池设置1 座，钢砼结构+内防腐，进水水量280 m3/h，水力停留时间不少于2 h。滤后产水池的主要作用是将多介质过滤器出水通过提升泵提升至超滤系统，并提供多介质过滤器反洗水。

（5）超滤产水池。超滤产水池设置1 座，钢砼结构，进水水量250 m3/h，水力停留时间不少于2 h，池内配置雷达液位计。超滤产水池主要作用是将超滤出水提升至反渗透系统，并提供超滤反洗水，超滤设计参数如表2所示。

表2 超滤装置设计参数

（6）反渗透产水池。反渗透产水池设置1座，钢砼结构，进水水量188 m3/h，水力停留时间不少于2 h，池内设雷达液位计。反渗透产水池的主要作用是将反渗透产水通过提升泵提升至循环水站冷水池。反渗透设计参数如表3所示。

表3 反渗透装置设计参数

（7）反渗透浓水池。反渗透浓水池设置1座，钢砼结构，进水水量65 m3/h，水力停留时间不少于2 h，池内设雷达液位计。设提升泵2台（一用一备），过流部件为316，可根据液位自动启停。反渗透浓水池的主要作用是将反渗透浓水通过提升泵提升外排至污水处理站。

（8）反洗废水池。各单元反洗废水、化学清洗水暂时存放在反洗废水池，收集后输送至进水调节池。反洗废水池设置1 座，钢砼结构，水力停留时间不少于2 h，池内设超声波液位计。

（9）污泥储池。污泥储池设置1 座，钢筋砼结构，流量设计为10 m3/h，水力停留时间超过8 h。回用水站污泥处理系统中的污泥主要来自中水软化澄清池，其绝干污泥处理量约为1.4 t/d。软化澄清池排泥周期为4 h，含水污泥由污泥外排泵泵送至污泥储池进行储存，污泥含水率为98%左右。

（10）污泥调理池。污泥调理池设置1 座，钢筋砼结构，流量设计为10 m3/h，水力停留时间为12 h。污泥在调理池中与PAM充分混合，形成污泥絮体，方便后续脱水处理。

5 处理效果及运行成本

中水回用站各单元处理效果见表4。由表4 可知，反渗透产水与软化澄清池进水水质相比而言，废水总硬度、总溶解固体、钙镁离子浓度等指标都有明显下降，且基本指标都符合出水要求，其中软化澄清池在去除钙镁离子及总硬度方面达到满意效果，这三种指标去除率都达到85%以上，而多介质过滤器对去除悬浮物固体发挥了较好的作用。

表4 中水回用水站各单元处理效果（单位：mg/L）

表5展示了该中水回用站的运行成本，按照实际水质计算，总进水量为250 m3/h，估算结果不含污泥处置费用、危废处理费用及人工费用。脱水后污泥按照含水率60%计算，根据估算结果，每吨水的运行成本为2.962元，其中辅材类消耗占比最高，超过总成本的70%，烧碱作为消耗最高的辅材，占辅材成本的70%以上。

表5 中水回用水站运行成本估算

6 结论

本项目为煤化工企业脱盐废水中水回用项目，主要采用“软化澄清+多介质过滤器+超滤+反渗透”的工艺对气化废水生化处理后残留的高盐成分进行有效的去除，根据出水结果，废水总硬度、悬浮物固体、总溶解性固体的去除率分别超过99%、99%及97%以上，产水各项指标均优于“工业循环冷却水处理设计规范”（GB/T 50050—2017）中再生水水质指标。该项目对煤化工企业废水处理的中水回用具有一定的参考意义，项目所采用的工艺在高盐高硬工业废水领域具有较好的应用前景。