反渗透浓盐水零排放与改进设计.pdf

2024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER反渗透浓盐水零排放与改进设计郭伯娇（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）【摘要】某除盐水站采用反渗透膜工艺处理回用水，稳定产出一级除盐水和一级浓盐水。为进一步浓缩处理浓盐水，提高钢铁工艺全流程废水的回收率和综合利用率，继续采用二级反渗透系统处理一级浓盐水，分离得到二级除盐水和二级浓盐水。二级除盐水循环补充到钢铁工艺流程或工业水管网，二级浓盐水则进入高含盐水管网。针对高含盐管网用水需求量不稳定的情况，结合该站现有的中水处理设备设施，进行改进设计，优化管路，统筹各级水源串级使用，落实废水资源化利用和浓盐水零排放。【关键词】反渗透；浓盐水；除盐水；串级使用【中图分类号】TQ085 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）01-0058-03 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Zero Discharge and Improvement Design of Reverse Osmosis Concentrated Brine GUO Bojiao(Beijing Shougang Qianan Iron and Steel Co.,Ltd.,Qianan,Hebei 064404,China)【Abstract】A desalination station adopts a reverse osmosis membrane process to treat the reuse water,which produces a stable output of primary demineralized water and primary concentrated brine.In order to further concentrate concentrated brine and improve the recovery rate and comprehensive utilization rate of wastewater from the whole process of iron and steel technology,the secondary reverse osmosis system is continued to be used to treat the primary concentrated brine,and the secondary demineralized water and secondary concentrated brine are obtained by separation.The secondary demineralized water is recycled and replenished to the steel process or industrial water network,while the secondary concentrated brine goes to the high salinity pipeline network.In view of the unstable water demand of the high salinity pipeline network,combined with the existing water treatment equipment and facilities of the station,the design is improved,the pipeline is optimized,and water sources at all levels are used in cascade,so as to implement the utilization of wastewater and the zero discharge of concentrated brine.【Keywords】reverse osmosis;concentrated brine;demineralized water;cascade use前言反渗透膜工艺作为一种高效、清洁的脱盐技术在污水处理及中水回用中得到广泛应用。利用反渗透膜特性将处理水分离成除盐水和浓盐水，其中浓盐水约占总进水量10%40%，浓盐水中的盐分和CODcr等污染物被浓缩34倍，硬度、碱度、有机物等浓度相对大幅度地提升。浓缩后 CODcr一般为120400 mg/L，电导率一般为 2 00010 000 S/cm。该类废水成分复杂，若不加以处理或利用，使其直接外排，会对人们的生产、生活带来重大影响。浓盐水的水量大小取决于反渗透系统的回收率。回收率越大，浓盐水量越小；回收率越小，浓盐水量越大。对浓盐水的处理方式一般是对反渗透浓盐水进行再处理，以蒸发、浓缩等方式进一步去除污染物、降低含盐量，提高除盐水的回收率和循环利用率，减少浓盐水的产生量、排放量或使其间接排放，对其综合利用1。1 工程概况北京首钢股份有限公司目前建有2所污水处理站和3所除盐站。其中污水处理站主要职责是收集公司球团、烧结、炼钢、炼铁、轧钢等各生产工序产出并排放的生产污水和生产废水，厂区各处生活场所设施、单元收集排放的生活污水以及雨排水等，采用粗细格栅、调节池、化学混凝沉淀、砂滤、水解酸化、活性污泥法等一级、二级处理方法，进行污水处理，回收得到的回用水应符合 污水综合排放标准（GB 89781996）。为进一步处理、净化和充分利用回用水，降低公司工业新水消耗量和新水成本，污水处理站产出的回用水继续供应到除盐站进行中水深度处理，最终产出除盐水和浓盐水两部分水。其中的除盐水进入到除盐水池，直接由除盐水泵供给公司除盐水管网或补充到工业水供水管网中，而剩余的浓盐水则收集到浓盐水池，这部分水量约占回用水总处理量的30%。鉴于浓盐水的复杂性和危害性，如何有效处理并加以利用是废水处理流程当中必须要解决的一个重要问题。首钢股份有限公司某除盐水站设计回用水日处理量28 000 m3，除盐水产量最高可达1 000 m3/h。该站充分发挥中水除盐工艺优势和反渗透膜装置特点，采用两级反渗透处理工艺，将浓盐水量浓缩至最小，再对其加以合理利用，实现了浓盐水的零污染、零排放，达到钢铁企业废水处理先进水平。2 两级反渗透处理工艺该站以污水处理站供出的回用水为原水，采用“多介质过滤器+超滤+反渗透”主工艺流程。采用两级反渗透处理工艺，设有一级反渗透和二级反渗透两级生产系统。两级反渗透分别采用图1和图2所示工艺流程。2.1 一级反渗透生产工艺一级反渗透膜系统以回用水为原水。从污水处理站输送过来的回用水，平均处理进水量达 1 200 m3/h，生产除盐水量最高可达1 000 m3/h。回用水通过DN500的回用水管和电磁调节阀，进入多介质过滤器，多介质过滤器系统设有8台过滤器，单台过滤器处理水量210 m3/h，过滤器产水进入超滤供水池，通过超滤供水泵进入超滤系统。超滤系统设有6套超滤装置，每套超滤装置处理水量280 m3/h。根据超滤产水池液位高低来控制超滤装置。经过超滤系统过滤，超滤产水进入反渗透供水池。通过反渗透供水泵，超滤产水接着进入保安过滤器，保安过滤器与反渗透膜装置一对一设置，其过滤孔径为5 m，主要起去除水中微小颗粒污染物、保护反渗透膜、减少污染堵塞的作用。在进入保安过滤器之前，投加阻垢剂和盐酸。阻垢剂用来防止水中钙、镁等盐分离子析出，避免析出物在反渗透膜表面附着，形成结垢堵塞膜孔2 。投加盐酸是为了调节水的pH，中和水中碱性物质，使系统处在稳定安全的水质条件下。在保安过滤器后投加还原剂，主要是为了还原水中残余的氯和其他氧化性物质，也可以促进反渗透膜系统中氧化还原反应的进行，使污染物的存在形态转变为易于过滤去除的形态。经保安过滤器后，由反渗透高压泵将水再打入到反渗透膜系统中。反渗透膜系统设有5套反渗透装置，单套反渗透装置处理水量为307 m3/h，其中反渗透膜产水量设置为200 m3/h，浓水量为107 m3/h，日常使用状态为4用1备。生产过程中，可以通过调节浓水阀开度来调整浓水量大小，调控单套反渗透膜装置的回收率。需要注意的是，回收率并非越大越好，系统回收率过大，不仅会影响反渗透膜的脱盐率，还容易造成膜的负荷过重，加快膜的污染、衰变和老化，给后续清洗、维护带来风险和隐患3。中水通过一级反渗透系统产出除盐水和浓盐水，到此环节，即完成了第一级除盐水和浓盐水的膜分离工作。此时的除盐水被称为一级除盐水，进入一级除盐水池中，直接供给到公司除盐水管网或 回用水 多介质过滤器 超滤供水池 超滤系统 除 盐 水反渗透膜系统 保安过滤器 反渗透供水池 还原剂 阻垢剂 盐 酸 一级浓盐水 图1 一级反渗透工艺流程 一级浓盐水 纤维球过滤器 保安过滤器 二级反渗透 阻垢剂 盐酸 还原剂二级除盐水 浓盐水 图2 二级反渗透工艺流程582024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER接排放，对其综合利用1。1 工程概况北京首钢股份有限公司目前建有2所污水处理站和3所除盐站。其中污水处理站主要职责是收集公司球团、烧结、炼钢、炼铁、轧钢等各生产工序产出并排放的生产污水和生产废水，厂区各处生活场所设施、单元收集排放的生活污水以及雨排水等，采用粗细格栅、调节池、化学混凝沉淀、砂滤、水解酸化、活性污泥法等一级、二级处理方法，进行污水处理，回收得到的回用水应符合 污水综合排放标准（GB 89781996）。为进一步处理、净化和充分利用回用水，降低公司工业新水消耗量和新水成本，污水处理站产出的回用水继续供应到除盐站进行中水深度处理，最终产出除盐水和浓盐水两部分水。其中的除盐水进入到除盐水池，直接由除盐水泵供给公司除盐水管网或补充到工业水供水管网中，而剩余的浓盐水则收集到浓盐水池，这部分水量约占回用水总处理量的30%。鉴于浓盐水的复杂性和危害性，如何有效处理并加以利用是废水处理流程当中必须要解决的一个重要问题。首钢股份有限公司某除盐水站设计回用水日处理量28 000 m3，除盐水产量最高可达1 000 m3/h。该站充分发挥中水除盐工艺优势和反渗透膜装置特点，采用两级反渗透处理工艺，将浓盐水量浓缩至最小，再对其加以合理利用，实现了浓盐水的零污染、零排放，达到钢铁企业废水处理先进水平。2 两级反渗透处理工艺该站以污水处理站供出的回用水为原水，采用“多介质过滤器+超滤+反渗透”主工艺流程。采用两级反渗透处理工艺，设有一级反渗透和二级反渗透两级生产系统。两级反渗透分别采用图1和图2所示工艺流程。2.1 一级反渗透生产工艺一级反渗透膜系统以回用水为原水。从污水处理站输送过来的回用水，平均处理进水量达 1 200 m3/h，生产除盐水量最高可达1 000 m3/h。回用水通过DN500的回用水管和电磁调节阀，进入多介质过滤器，多介质过滤器系统设有8台过滤器，单台过滤器处理水量210 m3/h，过滤器产水进入超滤供水池，通过超滤供水泵进入超滤系统。超滤系统设有6套超滤装置，每套超滤装置处理水量280 m3/h。根据超滤产水池液位高低来控制超滤装置。经过超滤系统过滤，超滤产水进入反渗透供水池。通过反渗透供水泵，超滤产水接着进入保安过滤器，保安过滤器与反渗透膜装置一对一设置，其过滤孔径为5 m，主要起去除水中微小颗粒污染物、保护反渗透膜、减少污染堵塞的作用。在进入保安过滤器之前，投加阻垢剂和盐酸。阻垢剂用来防止水中钙、镁等盐分离子析出，避免析出物在反渗透膜表面附着，形成结垢堵塞膜孔2 。投加盐酸是为了调节水的pH，中和水中碱性物质，使系统处在稳定安全的水质条件下。在保安过滤器后投加还原剂，主要是为了还原水中残余的氯和其他氧化性物质，也可以促进反渗透膜系统中氧化还原反应的进行，使污染物的存在形态转变为易于过滤去除的形态。经保安过滤器后，由反渗透高压泵将水再打入到反渗透膜系统中。反渗透膜系统设有5套反渗透装置，单套反渗透装置处理水量为307 m3/h，其中反渗透膜产水量设置为200 m3/h，浓水量为107 m3/h，日常使用状态为4用1备。生产过程中，可以通过调节浓水阀开度来调整浓水量大小，调控单套反渗透膜装置的回收率。需要注意的是，回收率并非越大越好，系统回收率过大，不仅会影响反渗透膜的脱盐率，还容易造成膜的负荷过重，加快膜的污染、衰变和老化，给后续清洗、维护带来风险和隐患3。中水通过一级反渗透系统产出除盐水和浓盐水，到此环节，即完成了第一级除盐水和浓盐水的膜分离工作。此时的除盐水被称为一级除盐水，进入一级除盐水池中，直接供给到公司除盐水管网或 回用水 多介质过滤器 超滤供水池 超滤系统 除 盐 水反渗透膜系统 保安过滤器 反渗透供水池 还原剂 阻垢剂 盐 酸 一级浓盐水 图1 一级反渗透工艺流程 一级浓盐水 纤维球过滤器 保安过滤器 二级反渗透 阻垢剂 盐酸 还原剂二级除盐水 浓盐水 图2 二级反渗透工艺流程592024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER补充到工业水管网中。而一级浓盐水接下来进入一级浓盐水池，作为二级反渗透系统的原水，继续进行浓缩和处理。2.2 二级反渗透生产工艺稳定生产条件下，一级浓盐水产量约428 m3/h，经一级浓盐水池，进入纤维球过滤器进行粗过滤，再进入保安过滤器进行细过滤，在保安过滤器前、后，投加的药剂种类与一级反渗透处理工艺相同。投加药剂所起的作用和原理也是相同的，不同的是投加量的大小和浓度配比，需要根据系统处理水量的大小和进水水质指标的变化来确定和调整。一级浓盐水经保安过滤器后，由反渗透高压泵进入二级反渗透膜系统中，完成第二级除盐水与浓盐水的膜分离。二级反渗透膜系统设有3套反渗透装置，2用 1备。单套二级反渗透膜进水量设置为200 m3/h，产水量、浓水量设定均为100 m3/h。此系统产出的除盐水被称为二级除盐水，进入二级除盐水池中，由二级除盐水外送泵补充到炼钢冷却吸水井和热轧层流吸水井中，或补充到厂区工业水池中。二级浓盐水最终进入站内高含盐水池，通过高含盐水泵输送到高含盐水管网，供给炼铁工序中的高炉冲渣、焖渣使用。两级反渗透产水走向示意图见图3。3 浓盐水现状及供给分析在一级反渗透系统中，进入反渗透膜之前的处理，都视为反渗透的预处理。在预处理过程中，多介质过滤器和超滤装置均需要进行气洗、冲洗、反冲洗等系列清洗维护操作，需要周期性消耗一部分中水。在具体的生产操作过程中，蓄养各生产系统水池液位工作是非常重要的，应调控和平衡各系统进出水，使各系统水池处于平稳、充足的液位状态。在回用水供水量稳定在 1 200 m3/h时，基本可以满足一级反渗透系统至少运行4套反渗透膜装置的条件。此时一级反渗透系统产水量约800 m3/h，一级浓水量为428 m3/h，回收率设置为65%，浓水率为35%。进入二级反渗透系统的一级浓盐水量约为 428 m3/h，二级反渗透装置2用1备，产出二级除盐水量约为200 m3/h，余下水量即为经过一级、二级反渗透系统浓缩后的高含盐水，其含盐量大，污染物浓度高，很难再降解、再处理，是真正意义上的浓盐水。将二级浓盐水汇集到400 m3高含盐水池中，通过变频水泵，将高含盐水供给厂区的高含盐水管网，主要用于炼铁工艺中的高炉冲渣。炼铁高炉冲渣用水具有连续性，高含盐管网的供给不能中断，因此高含盐水泵必须持续运转，水池液位必须保持中高液位，保障不间断供水到高含盐水管网。经过一段时间观察，在一般情况下，高含盐水管网外供水量180200 m3/h，二级浓盐水基本能够满足高含盐水管网用水所需。但在高炉冲渣的用水高峰时期，高含盐水用量可高达 500600 m3/h。仅228 m3/h二级浓盐水远远不能满足高含盐水管网用水需求。基于整个除盐系统的用水平衡关系、生产系统、现场设备设施等综合情况，对高含盐水管网进行技术改进，采用串级补水方法，增加多路补水路径，拓展补水渠道，保障高含盐水池的水源充足、水池液位安全和高含盐水管网的持续稳定供给4。4 高含盐水管网的改进设计4.1 补充一级浓盐水进入高含盐水池在现场一级浓盐水去往一级浓盐水池的总管上接一根DN200支管，连接到高含盐水池。装设一个电磁调节阀在集中控制室，根据高含盐水池的液位高低，调节一级浓盐水补充高含盐水池的水量大小。一级浓盐水最大浓水量为535 m3/h，在一级浓水池处于高液位，且不影响二级反渗透系统生产的前提下，可以适量补充一级浓盐水到高含盐水池。4.2 补充回用水进高含盐水池在一级反渗透工艺中，回用水的供应是整个生产工艺的重要基础和水源保障。只有污水处理站稳定供应回用水，才能保证后续中水除盐工艺的平稳生产。在除盐水外供需求量小或除盐水池处于高液位时，回用水量也会有节余，可以将这部分水补充到高含盐水池中。具体做法是在回用水总管接出一根支管，并装设一个手动蝶阀和一个电动补水阀，通过自动化控制程序，实现上位机操控，根据高含盐水外供量大小，控制阀门完成补水。（下转第105页）图3 两级反渗透产水走向示意图602024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER制二氧化硫烟气排放指标，机组稳定性较高，但固废产生量大，需定期清理固废。4 结论通过一年多对唐钢新区煤气发电两种脱硫脱硝技术从脱硫脱硝效率、生产运行维护成本、机组运行稳定性方面实践分析发现：SCR+SDS+布袋除尘脱硫脱硝技术相比于SNCR+固定床脱硫脱硝技术具有更高的脱硝效率，虽脱硫效率较低，但可调控性强，能在保证烟气排放指标稳定达标的前提下，通过调整碳酸氢钠、氨水药剂的喷入量，节约生产成本。SCR+SDS+布袋除尘脱硫脱硝不需要每年定期对固定床脱硫脱硝药剂进行更换，极大降低了药剂运行维护成本，且烟气排放指标更加稳定，发电机组能长时间保持高负荷运行。综合分析，SCR+SDS+布袋除尘脱硫脱硝技术更适合唐钢新区目前生产运营模式，经济性和实用性更高，这一研究为后续煤气发电一期SNCR+固定床脱硫脱硝技术的改造和新发电机组的筹建提供了有效的数据支撑。参 考 文 献 1 张胜梅.燃煤锅炉的烟气治理和脱硫脱硝技术探究 J.中国资源综合利用，2022，40（8）：128-130.2 崔继中，何金峥，冯学军，等.SNCR实现超低排放的改造实践研究 J.科技创新与应用，2020，12（30）：130-133.3 孙泽.电厂锅炉脱硫脱硝及烟气除尘技术探究 J.大陆桥视野，2022（8）：121-122.收稿日期：2023-06-02作者简介：郭军（1996-），男，本科，助理工程师，现从事能源管理工作。（上接第60页）4.3 连接其他站浓盐水管，完善供给管网厂区设有3所除盐站，各站工艺、设备设施均相同，各站原水中污染源的浓度、成分、含量等相同，各站浓盐水的浓度、电导率等水质指标也大致相同，各站所收集到的高含盐水经过专业质检也得出水质相差不大的结论，并且高含盐水的使用本身对水质要求并不高。将其他除盐站高含盐水供出管路与本站高含盐水进水管路相连，通过重力自流或启泵的方式，补充浓盐水进入高含盐水池，补水量可达100200 m3/h。该方法不仅有效缓解了高含盐水的供水压力，还将整个公司的浓盐水纳入高含盐水管网中，便于统一管理与使用。高含盐水池补水示意图见图4。经过一系列技术改进后，高含水外供量大时，通过以上3种渠道进行简单操作，实现了快速补水，保证了高含盐水管网稳定运行。补水的前提是由水质要求高的水系统向水质要求低的水系统串级流动，虽然这3种方法可以快速有效缓解高含盐水量供应不足的情况，但也要充分考虑到整个除盐工艺流程的水量平衡关系。补充高含盐水池的同时，不能因分流回用水和一级浓盐水而影响一级反渗透、二级反渗透系统的进水量。在生产过程中，应通过合理调配、统筹各系统水量，达到各系统水量平衡。5 结论回用水、一级除盐水、一级浓盐水、二级除盐水、二级浓盐水都属于中水。在钢铁企业中，合理并充分地利用中水，可以有效节约水资源。从环保角度看，废水的再生和循环利用，有助于改善生态环境，实现生态的良性循环。对高含盐水管网的改进设计，使公司充分利用废水资源，走上了高含盐水零排放的路线，实现了节约成本和保护环境的双赢。参 考 文 献 1 伊超，赵焰.环保水处理类反渗透浓盐水处理研究 J.中国市场，2021（24）：71-72.2 李海玲.化工企业浓盐水零排放处理技术研究 J.化工管理，2019（30）：110.3 苏伊士水务工程有限责任公司.得利满水处理手册（下）M.北京：化学工业出版社，2020.4 白润英.水处理新技术新工艺与设备 M.北京：化学工业出版社，2017.收稿日期：2023-10-18作者简介：郭伯娇（1985-），女，本科，环境保护工程师，从事钢铁企业污废水处理、中水深度除盐、浓盐水零排放和工业水的配送、串级使用等研究和技术工作。一级反渗透 回用水主管 一级 浓盐水池 一级反渗透浓盐水 其他站所浓盐水 二级浓盐水 高含盐 水池 图4 高含盐水池补水示意图105