含镍废水是一种典型的重金属废水，其主要污染物镍离子具有极强的生物毒性，极易在生物体内形成积累，破坏生物的正常代谢功能，若将含镍废水未经处理直接排放，将严重危害生态环境和人体健康^〔1-2〕。

目前针对含镍废水的处理方法有化学沉淀法、螯合沉淀法、铁氧体法、吸附法、离子交换法、膜分离法、电化学法和高级氧化法等。膜分离技术因其能耗低、效率高、工艺简单、投资小、污染轻、易于自动化操作等特点在重金属废水处理中的应用愈发广泛^〔3-4〕。

近年来环境问题愈发凸显，国家水污染控制对重金属废水提出了零排放的要求。本研究在对现有含镍废水处理工艺进行研究后，提出了“多级膜法+混床”组合工艺深度处理该类废水并回用，以期达到废水的零排放目标。

湖南长沙某砂轮厂为提高砂轮的韧性和强度，在砂轮的机加工序中经常使用金属镍作为结合剂，因此在加工过程中的辅料残余和磨具清洗时会产生200 m³/d的含镍废水，废水水质：总镍为70~200 mg/L，COD为80~110 mg/L，SS为2~6 mg/L，NH₃-N为8~ 15 mg/L，pH为1~3，电导率为5 000~8 000 μS/cm。

结合原水水质、气候、环境等因素，废水处理系统前处理采用常规化学沉淀除镍，回用系统预处理采用多介质过滤+活性炭过滤+树脂吸附工艺，反渗透预处理采用超滤装置+保安过滤器，除盐采用二级反渗透+混床工艺，经处理后的产水水质达到回用标准，其中反渗透浓水进行蒸发结晶处理，结晶废盐作为危废转移处理，废水处理工艺流程见图1。

含镍废水先经调节池调节水质水量后按流向依次进入混凝沉淀池和斜管沉淀池，沉淀完成后上清液经回调池调节pH后进入原水池，再经多介质过滤器、活性炭过滤器及镍树脂吸附罐进行滤前预处理后进入UF+RO系统。一级RO系统产生的浓水经高压泵提升至二级RO系统继续浓缩，随后二级RO浓水进入蒸发结晶系统，蒸发产水回流至调节池；反渗透产水进入RO纯水箱，经混床装置进行离子交换确保出水达标后进入回用水箱。其中在预处理阶段，由混凝沉淀池和斜管沉淀池所产生的剩余污泥由污泥池增稠浓缩后，经板框压滤机压滤脱水，污泥饼打包外运处置，污泥浓缩池上清液和压滤液可回流至调节池进行再处理。

（1）调节池。1座，尺寸16.5 m×2.3 m×4.5 m，有效容积为120 m³，HRT为9.2 h，地埋式钢砼结构+三布五涂防腐，并设有1套穿孔曝气管、1套浮球液位控制器、1个智能电磁流量计及2台废水提升泵，1用1备，SS304材质，Q=16.5 m³/h，H=22 m，N=3.0 kW。

（2）混凝反应池。2座，尺寸为0.85 m×0.8 m×4.0 m，有效容积为2.58 m³，HRT≥20 min，地上式钢砼结构+三布五涂防腐，并设有1套pH自动控制仪、3套溶药加药装置、3套反应搅拌机（SS316搅拌桨，R=60 r/min，N=0.37 kW）、以及3台计量加药泵（Q=120 L/h，P=0.3 MPa，N=0.06 kW）。

（3）斜管沉淀池。2座，尺寸5.6 m×2.3 m×4.0 m，有效容积为45 m³，表面负荷为0.6 m³/（m²·h），地上式钢砼结构，并设有1套出水堰板及浮渣挡板、1个PE材质的中心导流筒、1套12.52 m²、PVC材质的斜管填料以及配套的填料支架。

（4）pH回调池。1座，尺寸1.2 m×1.2 m×3.6 m，有效容积为4.6 m³，HRT为21 min，地上式钢砼结构，并设有1套pH自动控制仪和1台加酸回调泵，Q=87 L/h，P=0.3 MPa，N=0.06 kW。

（5）原水池。1座，尺寸3.6 m×2.3 m×3.5 m，有效容积为18 m³，HRT为1.5 h，地上式钢砼结构，设有2台原水泵，SS304材质，Q=13 m³/h，H=34 m，N=3 kW，以及配套SS304机架和PVC管道阀门。

（6）污泥池。1座，尺寸3.0 m×2.3 m×4.5 m，有效容积为20 m³，地埋式钢砼结构+两布四涂防腐，并设有1台板框压滤机和2台气动隔膜泵，1用1备，工程四氟塑料材质，Q=9 m³/h，H=70 m。

（1）多介质过滤器。通过多层滤料去除水中的固体颗粒、胶体及其他悬浮杂质。1套，设计流量为13 m³/h，滤速为8~12 m³/h，设计尺寸D 1 400 mm× 3 200 mm，填料层高取800~1 000 mm，碳钢内衬胶，并配有5个OSZDH气动阀以及滤料。该过滤器反洗水压力为0.15 MPa，反洗水强度为25 m³/（m²·h），反洗自控依据过滤器前后压差用PLC控制电动阀门和反洗泵等自动进行。

（2）活性炭过滤器。利用椰壳活性炭，去除水中残余氯离子、COD及一些重金属离子。1套，设计流量为13 m³/h，滤速为8~12 m/h，设计尺寸D 1 400×3 200 mm，填料层高取800~1 000 mm，碳钢内衬胶，并配有5个OSZDH气动阀以及活性炭滤料。活性炭过滤器反洗参数与多介质过滤器相同。

（3）镍树脂吸附罐。利用螯合树脂进一步吸收重金属镍离子。1套，设计流量为13 m³/h，滤速为8~12 m/h，设计尺寸D 1 400×3 200 mm，填料层高取800~1 000 mm，碳钢内衬胶，并配有5个OSZDH气动阀、螯合树脂和1台盐液槽。

（1）中间水箱。1个，PE塑料材质，储水量为10 t。

（2）超滤泵。2台，1用1备，SS304材质，Q=13 m³/h，H=34 m，N=3 kW，配备SS304机架和PVC管道阀门。

（3）超滤系统。1套，设计流量为13 m³/h，使用H-PVDF材质内压式中空纤维膜，型号为美国陶氏SFP-2860，采用并列排放方式，运行压力0.25 MPa，膜通量≤40 L/（m²·h），单支膜流量为1~2 m³/h，系统回收率为80%~85%。根据计算可得1套UF系统需要12支膜。

（4）超滤产水箱。1个，PE塑料材质，储水量为10 t。

（5）保安过滤器。1台，Q=18 m³/h，精度为5 μm，保安过滤器外壳材质为SS304，承压0.42 MPa，缠绕式滤芯材质为PPF，40寸，共计12支。

（6）杀菌加药装置。1套，配备1台50 L/h加药机和1只PE材质、200 L规格的加药箱。

一级RO系统：

（1）一级RO增压泵。2台，1用1备，SS304材质，Q=10 m³/h，H=30 m，N=1.8 kW，配备SS304机架和PVC管道阀门。

（2）一级RO系统。1套，系统出水量为7 m³/h，使用抗污染聚酰胺复合膜，型号为FILMTEC^TMBW30XFR-400/34i，膜组件直径为8英寸（20.32 cm），平均膜通量为18 L/（m²·h），单支最大产水量为15.5 m³/d，单支最小浓水流量为4.5 m³/h，单支最大给水流量为7.5 m³/h，单支回收率约为9%，系统回收率为70%。根据计算可得1套一级RO系统需要18支膜。

（3）阻垢加药装置。1套，配备1台50 L/h加药机和1个PE材质、200 L规格的加药箱。

（4）保安过滤器。1台，Q=15 m³/h，精度为5 μm，保安过滤器外壳材质为SS304，承压0.42 MPa，缠绕式滤芯材质为PPF，40寸，共计12支。

（5）一级RO高压泵。2台，1用1备，SS304材质，Q=10 m³/h，H=141 m，N=11 kW，配备SS304机架和PVC管道阀门。

（6）1^#浓水水箱。1个，PE塑料材质，储水量为6 t。

（7）RO纯水箱。1个，PE塑料材质，储水量为10 t。

（8）其他。设6个压力容器，玻璃钢材质，每个容器内装3支RO膜；设2台在线流量计，量程为0.6~16 m³/h；设4套面板式压力表，量程为0~1 MPa；设2套数显式电导率仪。

二级RO系统：

（1）二级RO增压泵。2台，1用1备，SS304材质，Q=4 m³/h，H=40 m，N=0.75 kW，配备SS304机架和PVC管道阀门。

（2）二级RO系统。1套，系统出水量为2 m³/h，使用海水淡化膜，聚酰胺复合材质，型号为FILMTEC^TMSW30XHR-400i，膜组件直径为8英寸（20.32 cm），平均膜通量为14 L/（m²·h），单支最大产水量为15.5 m³/d，单支最小浓水流量为4.5 m³/h，单支最大给水流量为7.5 m³/h，单支回收率约为8%，系统回收率为45%，脱盐率为98%。根据计算可得1套二级RO系统需要9支膜。

（3）阻垢加药装置。1套，配备1台50 L/h加药机和1个PE材质、200 L规格的加药箱。

（4）保安过滤器。1台，Q=6 m³/h，精度为5 μm，保安过滤器外壳材质为SS304，承压0.42 MPa，缠绕式滤芯材质为PPF，30寸，共计9支。

（5）二级RO高压泵。2台，1用1备，SS304材质，Q=4 m³/h，H=178 m，N=4 kW，配备SS304机架和PVC管道阀门。

（6）2^#RO浓水水箱。1个，PE塑料材质，储水量为4 t。

（7）其他。设3个压力容器，玻璃钢材质，每个容器内装3支RO膜；设2台在线流量计，量程为0.6~10 m³/h；设4套面板式压力表，量程为0~1 MPa；设1套数显式电导率仪。

（1）输送泵。2台，1用1备，SS304材质，Q=10 m³/h，H=30 m，N=1.8 kW，配备SS304机架和PVC管道阀门。

（2）混床罐体。2台，1用1备，压力式罐体，玻璃钢材质，设计流量为12 m³/h，滤速为8~12 m/h，设计尺寸为D1 200 mm×3 200 mm，正常出力压差为0.01~0.03 MPa，最大出力压差为0.05 MPa。

（3）混床内外装置。进水装置：ABS材质螺口水帽；外部装置：DN 50 mm工程塑料材质控制阀。

（4）滤料。强酸性离子交换阳树脂，牌号为ZGC107 mB，高500 mm；强碱性离子交换阴树脂，牌号为ZGA307 mB，高1 000 mm。

（5）再生装置。1套，包括酸碱再生泵、计量药桶、流量计、管道阀门等。

（6）回用水箱。1个，PE塑料材质，储水量为10 t。

（7）纯水送水泵。2台，1用1备，SS304材质，Q=10 m³/h，H=30 m，N=1.8 kW，配备SS304机架和PVC管道阀门。

（8）管道系统。高压管道采用SS316材质，低压管道采用UPVC材质，布管尽量美观实用，要求每个膜管可独立清洗。

（9）其他。设1台电阻率仪测试混床产水电导率，检测反渗透工作性能，判断是否需要进行再生；设1套电控系统，采用触摸屏+PLC可编程控制器控制。

该废水处理及回用工程自2018年6月调试完成投入运行以来，设备设施运转正常，处理效果良好，回用水水质稳定，总镍未检出，电导率< 20 μS/cm，水质优于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006），工程运行结果及排放标准见表1。

（1）电费：工程每日电耗为1 850 kW·h，电价按1元/（kW·h）计，功率因数为0.75，则电费为1 387.5元/d，折合费用为6.94元/m³。

（2）药剂费：工程实际运行中使用的PAC为20 kg/d、NaOH为400 kg/d、PAM为0.4 kg/d，总计药剂费为1 451.6元/d，折合费用为7.26元/m³。

（3）耗材费包括滤前预处理耗材费、UF+两级RO系统药洗费、混床系统再生药剂费：滤前预处理耗材费：活性炭每12个月更换一次，单价为14 000元/t，每次更换1.2 t，耗材费平均为1 436元/月，更换用人工及其他部分过滤材料费为3 000元/月；镍树脂吸附罐树脂再生药剂费（包括盐酸、片碱等）为750元/月；UF+两级RO系统药洗费（包括超滤杀菌剂、反渗透阻垢剂、酸洗、碱洗等）合计为1 200元/月；混床系统再生药剂费（包括盐酸、片碱等）为1 500元/月；综合上述，总耗材费用合计为7 886元/月，折合费用为1.31元/m³。

（4）人工费：污水站安排运营操作人员4人，两班制，平均月工资为4 500元/人，折合费用为3元/m³。

（5）设备折旧费：设备折旧费=（固定资产原值-预计净残值）/预计使用年限。其中固定资产原值为368万元；预计净残值=固定资产原值×5%=18.4万元；预计使用年限20 a，则每年设备折旧费为17.48万元，系统1 a按运行300 d计算，折合费用为2.91元/m³。

（6）维修保养费：设备总投资成本按368万元计算，设备维护按1%支出，系统1 a按运行300 d计算，则平均每天投入122.7元，折合费用为0.61元/m³。

本工程中水回用率达到100%，每天回用水量200 m³，自来水价格按3.5元/m³计，每处理1 m³废水可减少支出3.5元。本工程产生污泥由甲方自行处理，因而运行费用中不包括污泥处理费，中水回用节约水费综上所述，合计运行费用为22.03元/m³。

（1）采用多级膜法+混床工艺处理含镍废水并回用，运行效果良好，回用水水质稳定，总镍未检出，电导率< 20 μS/cm，水质优于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006），满足厂方回用于工艺生产的要求，中水回用率达到100%，实现了国家水污染控制对重金属废水提出的“零排放”要求，对同行业同类废水的处理有一定的借鉴意义。

（2）整个工艺的运行成本为22.03元/m³，混床产水直接回用于工艺生产，二级RO浓水蒸发产水回流至调节池，可节约大量水资源。