复合型净水系统在地表水处理中的应用

2022-03-21罗廷庆吴江邱才华万桂平陈浪

有色冶金设计与研究 2022年1期

罗廷庆，吴江，邱才华，万桂平，陈浪

（1.江西晶安高科技股份有限公司，江西南昌 330508；2.江西锆资源综合利用工程技术研究中心，江西南昌 330508）

中国经济的快速发展，促进了整个社会对水资源需求量的持续增长。进入21世纪以来，水资源的短缺问题变得更为突出，尤其是地下水资源。因为工业对地下水资源的开采过度，造成了不同地区的地下水位快速下降，甚至引起了地面不均匀沉降。目前，国家正在加速规范企业从地下采水逐步改成以市政自来水或河水为主。

某公司是一家主要从事锆系列材料生产、开发、研究的国有控股高新技术企业。根据该企业水资源调查分析，采用井水供水不符合国家的发展政策，而且水量也无法保障；采用市政自来水会给企业带来较高的用水成本。最终，该企业以附近某河流河水资源为源水，对其进行净化处理后，供企业生产使用。

1 企业用水概况及水质分析

1.1 河水资源状况

企业取水地点选在企业附近某河主流万家埠水文站上洲约2.5 km处，取水规模为4.8 kt/d，设计取水流量为0.056 m3/s。该取水口断面年平均流量为111 m3/s，年平均最小月流量为31.36 m3/s，因此企业取水量所占断面来水量的比例很小，对区域水资源产生的影响也很小，即使处于特枯水季节，河道来水仍能满足供水要求。

取水口河段河势稳定，取水口的设置对下游及周边用水的影响很小，既不会破坏生态环境又便于对取水口进行监督管理。依据径流分析成果，该取水口断面即使在保证率P＝95%的特枯水年，全年供水水量亦可完全满足企业各项用水量需求。

1.2 河水水质分析

该河水为地表水，容易受流域、季节水位、水体污染等因素影响，含有较多杂质、悬浮物、有机物、胶体、无机盐、重金属离子，以及不同菌落、溶解气体等。对该河河水取样检测的结果见表1。

表1 河水取样检测结果

由表1可知，该河河水浊度高，变化幅度大，电导率偏高，杂质指标高。该水质如果不经任何处理，会对工业生产和产品品质带来危害。

1.3 企业用水水质要求

该企业一般质量用水主要用于生产用水、辅助生产用水、部分间接冷却用水，以及后续高质量净化水源水。高质量用水规模主要用于附属生产用水（研发化验检测用水）、工艺用水、锅炉用水等。具体水质指标要求见表2。

表2 企业用水水质标准

2 净化水方案

2.1 工业用水净化处理技术

根据不同的水处理方法，净化水工艺可分为混凝＋沉淀＋过滤、软化法、微过滤及超过滤法、反渗透法几类。各种净化水工艺用途及分离物质见图1[1]。

图1 净化水工艺用途及分离物质示意

1）混凝＋沉淀＋过滤。混凝＋沉淀＋过滤的处理方法是在水体中投加合适的絮凝剂，使水中分散的胶状体与浮游杂质等在絮凝剂的作用下互相聚集、絮凝，形成大颗粒，再通过沉淀、传统过滤的方法去除。这种方法常用于城市自来水处理，无法进一步处理复杂污染物质。常规的混凝、沉淀、过滤，以降低河水浊度为主要处理目标。随着浊度的降低，原本河水中吸附于浊质的有机物以及溶解度较低的有机物也得到相应去除。资料表明，通过该工艺，分子量为10 000～100 000的有机物可去除约80%，分子量为3 000～10 000的有机物可去除约50%。因此，河水净化系统，如城市自来水厂，常将此工艺用在日处理水量在8 000～10 000 m3以上的河水净化水站上[2]。

2）软化法。软化法常用于处理主要杂质为钙镁离子的硬度较高的源水。该方法采用离子交换、加药剂等方式，将源水中的钙镁离子浓度降低或者去除。该法能改善源水的硬度，但无法去除源水中的微生物和有害病菌等。

3）微过滤及超过滤法。微过滤及超过滤法是利用约0.3 MPa的渗透压力，使原水通过微滤和超滤微孔膜制成的纤维素或高分子材料，利用其紧凑的孔径拦截水中杂质。一般而言，微滤膜的孔径为0.02~1.0μm，超滤膜孔径为0.002~0.2μm。因此，采用微过滤及超过滤法可以有效地将水中的微粒、细菌等微观纳米量级的物质过滤掉，但该法的缺点是产水量不高[3]。

4）反渗透膜法。反渗透是利用更致密的膜来对水中物质进行选择性透过的方法。该法一般可截留0.000 1μm的粒子。反渗透系统的纯水水量能够达到被处理水量的75%～85%。但在这个过程中，有部分高盐溶液被浪费[3]。

5）复合型净化水工艺。由于单一的净水工艺只能满足一般性需求用水，无法满足更高质量的企业生产工艺、锅炉用水需求，因此逐渐发展出复合型净化水工艺，即将上述两种或者两种以上的工艺进行组合，如“超滤＋反渗透”组合、“活性炭吸附＋微滤膜”组合等。不同工艺各取所长，组成复合型净化水系统进一步去除水中杂质，提高了产水的质量。

2.2 净化水技术选型

该河河水由于污染以及季节变化的影响，容易发生水质变化，从而影响净化水系统出水质量的稳定。采用常规河水净化方式存在流程长、占地面积大、投入资金量大、建设周期长等缺点。因此，综合考虑企业实施条件，设计采用新型一体化净水器替代河水水站处理净化该河河水的方案，将常规的水处理工艺混凝、沉淀、过滤高效整合在一起，设计在一套设备内，再配合投加絮凝、药剂等附属设备，成为具有整套净化水功能的净水站。该方案的优点为净水流程短、效率高、施工周期短、设施占地面积小，满足企业一级净化水要求。

经过一体化净水器处理，河水能满足企业一般用水要求，但无法满足更高质量的用水要求，还需要通过两个或者两个以上的工艺进行组合，形成一个复合型净化水系统。为此，在一级净化的基础上增加后续水净化工艺进行二次处理，比如反渗透脱盐水处理系统，离子交换（复床、混床），电渗析软化、除盐水系统，超纯水处理设备等。经过对比分析上述各类水处理系统的优缺点和适用环境，最终选用反渗透脱盐水处理系统作为该企业二级净化水系统。

在这种设计思路下，该企业组成了一套采用一体化净水器进行一级净化，反渗透膜法进行二级净化的高效工业用水净化系统，实现了企业对不同等级工业用水的需求。

3 分级净水系统及特点

3.1 一级净化水系统

企业在取水点通过取水泵抽取该河河水，经埋地敷设DN400供水管线从西面进入厂区，输送到一级净水站。考虑到该河河水pH值低于7，进入一级净水站后，增设加碱装置定量加入氢氧化钠溶液，将原水调成弱碱性，然后加入定量絮凝剂，经过管道混合器充分混合，进入一体化净水器进行反应、沉淀、过滤处理。产出的净化水定量加入二氧化氯进行杀菌，然后转入清水池，通过给水泵送往使用单位和二级净化水系统；产出的污水流进污水池，通过压榨泵压入压滤机中。压干污泥主要为泥沙，污水则再次进入一体化净水器进行净化。具体的一级净化水系统工艺流程见图2。

图2 一级净化水系统工艺流程

如图2可知，该系统处理工艺较为合理，工人操作劳动强度较低，特点如下：1）主要处理设备为一体化净水器。该设备采用改进后的快速斜管沉淀工艺，与重力式自动反冲洗过滤工艺相结合，具有独特先进的流体力学工艺设计及结构配置。净水设备布置紧凑，较竖流沉淀器和重力无阀过滤器等其他净化水设备，占地的面积可减少30%以上。2）系统采用水力自动反冲等工艺，无须设置反冲水泵，没有多余的电耗输出，使整体系统的电耗大幅度下降。采用气动排泥，根据进水流量及浊度数据计算净水器的排泥周期，控制净水器合适的排泥时间及排泥周期，保证净水器长期在良好的环境下运行。3）针对源水pH值偏弱酸性，絮凝效果不佳的特性，增加了加碱装置，提高了絮凝效果。4）系统的自耗水量极低。一级净化水系统产出污水通过压料泵压入压滤机中，压干污泥主要为泥沙，污水再次进入一体化净水器进行净化。另外，利用改进后的快速斜管沉淀工艺以及重力式水力自动反冲过滤工艺，反洗清洗水用量少30%以上。5）采用网格旋流反应器，结构简单，水流作用下颗粒间的碰撞有助于提升絮凝效果，与普通反应比较，效果高出2倍以上[4]。

3.2 二级净化水系统

河水经一级净化水系统净化后，通过给水泵经DN200给水管线，输送到二级净水站。虽然原水经过了一级净化系统的处理，水中的悬浮物质已经较少（一般小于3×10-6），水质优良。但是对于后续的二级净化水系统来说，原水中的悬浮物质还是会堵塞离子交换通道或反渗透膜，使离子交换树脂或反渗透膜受损，严重地影响二级净化水系统的正常运行，缩短设备的使用寿命，因此仍需要对进水进行预处理。

预处理第一道采用机械过滤器，利用机械过滤器中不同粒径石英砂间的细小缝隙，使颗粒物在随水流流经滤料时被截留。经过机械过滤器，其出水浊度已经基本达到反渗透进水要求，但是过滤水中仍含有一定量的有机物、余氯、微生物等没得到处理。为此在石英砂机械过滤器后配置活性炭过滤器，利用活性炭比表面积大的特点，有效吸附进水中的有机物，降低预处理水的臭味、色度、微生物数量、余氯等。经过机械过滤器及活性炭吸附后的出水完全符合预处理出水要求，可以进入反渗透膜装置进行净化处理[5]。

进入二级净水站的一级净化水通过原水泵加压经过机械过滤器、活性炭过滤器、保安过滤器，接着通过高压表再次加压，进入反渗透装置过滤处理，产出的净化水转入纯水罐，最后通过给水泵将二级净化水送往使用单位使用。另外，反渗透装置产出的浓水流进浓水罐，通过给水泵供往各车间做设备冷却水等回用水使用。二级净化水系统具体工艺流程见图3。

图3 二级净化水系统工艺流程

由图3可知，二级净化水系统由机械过滤器（石英砂）、活性炭过滤器、阻垢剂投加装置、非氧化性杀菌剂投加装置、两级保安过滤器、高压泵、反渗透装置、反渗透化学清洗装置组成，处理工艺较为合理，工人操作劳动强度较低，特点如下：1）以一级净化水为源水，经过石英砂机械过滤器、活性炭过滤器、两级保安过滤器过滤，除去了一级净化水中残余的悬浮物质以及胶体等，严格控制了反渗透装置进水中的有机物浓度以及余氯量，防止了上一级处理泄漏的滤料等物质给系统元件带来损害，延长了二级净水系统使用寿命，确保了二级净化水水质。2）在对原水进行预处理时，增加了阻垢剂、非氧化性杀菌剂使用，对原水进行了预处理，保护了反渗透膜，延长了反渗透膜使用寿命。3）采用PLC自动控制，操作过程均为自动化操作，反洗操作和制水运行均按设定参数运行，确保了净水系统运行维护不受人工影响，稳定运行。4）二级净化水系统设计充分考虑了企业运行工况，可两套系统轮流或一起运行，在满足生产用水需求的同时，可以根据自来水压，错峰制水，保障了设备高效安全运行，同时考虑到场地限制，共用1台原水泵和反渗透化学清洗装置，进水采用恒压变频，确保进水在压力波动时，系统水压稳定，降低了设备投资。5）根据保养需求，可分别对两套系统轮流进行反冲洗、滤芯更换、再生等保养，并且可单独对一套装置一段膜和二段膜分开清洗，以达到充分清洗的最佳效果。