不锈钢产品在加工过程中产生大量废水〔1〕，具有高COD、高盐分、含有重金属、水质波动较大的特点。随着环保政策的收紧和企业对工业用水要求的提高，在符合生产要求的高质量工艺用水前提下，如何将大量废水回用、降低能耗、实现零排放成为一个新目标。
本研究以某企业不锈钢产品生产废水处理项目为例，以“预处理系统+反渗透系统+ MVR蒸发系统”组成的系统对不锈钢产品生产废水进行深度处理，出水质量可达企业产线回用水水质标准，实现不锈钢产品生产废水的零排放。
1 工程概况与水质
生产废水来自苏州某企业金属材料生产车间产生的切削、研磨和清洗废水。本零排放系统设计处理水量60 m3/d，设计回用水量52.5 m3/d，系统出水作为车间补充水回用，执行《城市污水再生利用工业用水水质标准》(GB/T 19923—2005)以及企业方原水水质要求，进水水质与回用水标准见表 1。
表1 进水水质与回用标准
Table 1
| 指标 | pH | SS | COD | NH3-N | TN | TP | 电导率 | Cr6+ | Ni2+ |
| 进水水质 | 1~2 | 100 | 4 500 | 4.5 | 55 | 54 | 3 000~3 500 | 2.61 | 2.34 |
| 回用标准 | 6.5~7.5 | 50 | 2 | 6 | 2 | 600 |
注：除pH和电导率(μS/cm)外，其余指标单位均为mg/L。
2 工艺流程
2.1 工艺流程
该项目采用预处理系统+反渗透系统+ MVR蒸发系统的主体处理工艺，废水处理工艺流程如图 1所示。预处理系统包含混凝沉淀段、A/O-MBR段和多级过滤段。
图1
2.2 工艺流程说明
2.2.1 预处理混凝沉淀段
2.2.2 预处理A/O-MBR段
2.2.3 预处理多级过滤段
多级过滤段包括石英砂过滤器、活性炭过滤器和离子交换树脂过滤器，主要目的是进一步去除生化出水中的污染物，为反渗透提供良好的进水水质。
A/O-MBR段出水先进入石英砂过滤器，去除剩余的COD、胶体、SS和重金属。石英砂过滤器结构简单、设备自动化程度高、反洗频次少、过滤效果好。运行时由于重力作用，过滤介质形成上疏下密的状态；反洗时由于摩擦力作用，过滤介质间充分分散，增强了清洗效果；正洗可防止过滤介质流失。石英砂过滤器出水进入活性炭过滤器进一步净化。
活性炭过滤器去除石英砂过滤器出水中残留的COD、SS和胶体等杂质，同时去除色度、异味和余氯，进一步保证反渗透进水水质的稳定，降低膜污堵的风险。活性炭过滤器具有投资省，设备紧凑，出水水质好，运行费用低等特点。活性炭过滤器出水送至离子交换树脂过滤器进一步净化。
离子交换树脂过滤器是用树脂离子置换水中金属离子，从而降低废水中金属离子的含量〔7〕。离子交换树脂过滤器化学性质稳定、耐腐蚀性强、交换效率高。废水经过离子交换树脂过滤器后重金属离子得到去除，同时水质被软化，降低了反渗透膜因结垢而被堵塞的风险。
2.2.4 反渗透系统
经预处理系统处理的废水泵提至反渗透系统深度处理，去除水中的溶解性盐类(脱盐率≥95%)，使出水水质满足回用要求。本项目反渗透系统中使用陶氏低能耗聚酰胺复合膜，型号均为BW30LE-4040。反渗透系统由三段系统串联组成，每一段都设2组膜堆，一、二、三段反渗透系统每组分别由18、12和8支膜元件构成，各段系统的设计回收率均为50%，温度为25 ℃。预处理系统出水进入反渗透系统前需先投加还原剂(普尼奥PO-400，按3 mg/L投加)，再投加阻垢剂(普尼奥PO-220，按3 mg/L投加)，一方面降低废水氧化性(ORP≤200 mV)，预防废水对反渗透膜的腐蚀；另一方面改变钙、镁等离子的性状，降低膜结垢堵塞系统的风险〔8〕。在反渗透系统作用下，废水中的BOD、COD大部分被降解，溶解性固体和细菌被降解90%以上，同时电导率和硬度也得到了很好的控制。反渗透系统产水水质好，废水回收率高，产水泵至回用水箱供产线回用，三段浓水泵入MVR蒸发系统结晶化处理。
2.2.5 MVR蒸发系统
MVR蒸发系统的主要作用是将反渗透系统的三段浓水结晶化处理。MVR蒸发系统首先通过电加热器产生蒸汽，再用蒸发器产生的二次蒸汽加热废水，该工艺比传统蒸发设备节省80%的能源〔9〕。RO三段浓水经MVR蒸发系统高效蒸发后送至稠厚系统继续增稠浓缩，RO浓水最终以冷凝水和杂盐(主要是硫酸钠)的形式呈现，冷凝水泵入原水调节池继续处理，杂盐委外处理，最终达到不锈钢产品生产废水零排放的目的。
3 主要构筑物及设备参数
本项目主要构筑物及设备参数见表 2。
表2 主要构筑物及设备参数
Table 2
| 构筑物 | 设备参数 |
| 调节池 | 1座；碳钢防腐结构，规格为1 500 mm×600 mm×4 000 mm。潜水搅拌机1台，功率2.2 kW；提升泵2台，流量60 m3/h，扬程10 m，功率4 kW，一备一用 |
| 混凝/絮凝池 | 1座，分2格，碳钢防腐结构，单格尺寸500 mm×800 mm×4 000 mm。快速搅拌器2台，单台功率2.2 kW。停留时间30 min |
| 物化沉淀池 | 1座，碳钢防腐结构，规格为4 000 mm×800 mm×4 000 mm。污泥抽吸泵2台，流量1 m3/h，扬程60 m，一备一用。水力停留时间4 h |
| 缺氧池 | 1座，碳钢防腐结构，规格为6 500 mm×1 200 mm×4 000 mm。提升泵2台，流量60 m3/h，扬程10 m，功率4 kW，一备一用 |
| 好氧池 | 1座，碳钢防腐结构，规格为6 500 mm×1 200 mm×4 000 mm。提升泵2台，流量60 m3/h，扬程10 m，功率4 kW，一备一用 |
| 生化沉淀池 | 1座，碳钢防腐结构，规格为6 500 mm×1 200 mm×4 000 mm。污泥抽吸泵2台，流量1 m3/h，扬程60 m，一备一用。水力停留时间10 h |
| MBR膜池 | 1座，碳钢防腐结构，规格为6 500 mm×1 200 mm×4 000 mm。提升泵2台，流量60 m3/h，扬程10 m，功率4 kW，一备一用 |
| 多级过滤器 | 石英砂过滤器、活性炭过滤器、离子交换树脂过滤器各1座，均为FRP材质，规格均为D 600 mm ×1 850 mm |
| 反渗透系统 | RO增压泵3台，流量4 m3/h，扬程23.5 m，功率0.55 kW；RO高压泵3台，流量4 m3/h，扬程112 m，功率3 kW；保安过滤器3台，PP棉滤芯，过滤精度5 μm；RO设备3套，产水量0.78 m3/h；RO膜76支，聚酰胺复合膜；RO膜壳32根，FRP材质 |
| MVR蒸发系统 | 蒸汽发生器1台，功率48 kW；蒸发器1台，316L材质，容积0.7 m3；汽液分离器1台，DN600，316L材质；蒸汽压缩机1台，输气量0.5 t/h，316L材质；凝水罐1只，容积0.5 m3，316L材质，系统总功率110 kW |
| 板框压滤机 | 污泥储罐尺寸D 2 000 mm×3 000 mm，碳钢防腐结构。板框压滤机1台，过滤面积20 m2 |
4 运行状况分析
该工程于2019年10月竣工，经过一个多月的调试后系统运行趋于稳定，产水水质各项指标均达到GB/T 19923—2005以及企业用水水质要求。
4.1 系统对COD的去除效果
系统对COD的去除效果见图 2。
图2
该系统的进水COD较高，在4 477~4 519 mg/L内波动。出水COD在10~22 mg/L之间，达到了GB/T 19923—2005和企业方纯水水质＜50 mg/L的要求。系统对COD的去除率呈现先升高后降低的趋势，去除率最高达99.78%，随后逐渐下降至99.51%，整体趋于稳定。原因可能是：(1)系统运行初期PAC、PAM等药剂未达最佳投加量，混凝效果不佳；(2)好氧池曝气量先增后减，COD去除率随之先升后降；(3)系统运行后期，膜元件局部受损，COD降解效果变差。
4.2 系统对NH3-N的去除效果
系统对NH3-N的去除效果见图 3。
图3
系统进水NH3-N的平均质量浓度是4.5 mg/L，出水NH3-N平均质量浓度为0.42 mg/L，平均去除率为90.60%，去除率呈先上升后下降的趋势，最高达91.25%，可能是前期运行操作使好氧池曝气量增加，硝化反应进行比较充分导致，后期考虑运行能耗与出水水质，适当降低曝气量〔10〕。
4.3 系统对TN的去除效果
系统对TN的去除效果见图 4。
图4
系统进水TN质量浓度范围是52~58 mg/L，平均55 mg/L，出水TN质量浓度在0.45~0.51 mg/L之间，远低于回用水质TN＜6 mg/L的要求。系统对TN的平均去除率为99.12%，去除率比较稳定，随着系统运行去除率略有升高，可能是运行后期曝气量减小，为反硝化菌提供了较好的缺氧环境，反硝化反应进行相对彻底。
4.4 系统对TP的去除效果
系统对TP的去除效果见图 5。
图5
系统进水TP质量浓度范围是50~57 mg/L，平均54 mg/L，出水TP质量浓度在0.02~0.06 mg/L之间，平均为0.04 mg/L。系统对TP的平均去除率99.93%，去除率呈先上升后下降的趋势。分析原因，可能是系统运行初期PAC、PAM等药剂未达到最佳投加量；运行后期未能进行有效排泥，污泥老化，活性降低。
4.5 系统的脱盐效果
系统脱盐效果见图 6。
图6
系统进水电导率范围是3 000~3 500 μS/cm，平均3 250 μS/cm，出水电导率在24.2~28.5 μS/cm之间，平均26.6 μS/cm。系统的平均脱盐率为99.19%。脱盐率呈逐渐降低的趋势，分析原因，可能与进水水质波动和系统运行操作有关，也可能是膜元件局部受损，膜透盐量增加造成的。
4.6 系统对铬镍的去除效果
系统对铬镍的去除效果见图 7。
图7
系统进水的铬、镍质量浓度范围分别为2.56~ 2.64、2.29~2.39 mg/L，出水的铬、镍质量浓度分别为0.003 1~0.003 6 mg/L和0.000 6~0.001 1 mg/L，系统对铬、镍的去除率比较稳定，平均去除率均在99.8%以上。
5 成本及效益分析
成本包括项目投资费用和运行成本。项目总投资费150.19万元，其中土建费约10万元，设备投资费约140.19万元；系统运行成本包括运行电耗、运行药耗、人工成本和固废委外成本。运行耗电量为38 kW·h，按0.5元/(kW·h)计，功率因数以0.8计，电费为6.1元/t；运行投药成本PAC 0.12元/t，PAM 0.02元/t，酸和碱0.07元/t，总计0.21元/t；污水处理系统劳动定员2人，人均工资按照2 000元/月计算，人工成本为2.2元/t；固废委外量为0.15 t/d，按1 500元/t计，固废委外成本3.8元/t，吨水运行成本总计为12.31元/t。
效益包括经济效益和环境效益，60 m3/d工业废水零排放，不仅减少了用水量，而且节约了排污费，对该企业来说有可观的净收益。经济效益包括回用水收益和节约排污费。回用水收益：回用水52.5 m3/d(回收率按87.5%计算)，回用水价值按7.5元/m3 计算，水回收收益11.8万元/a。节约排污费：排污费按900元/t计算，节约排污费1 620万元/a。综合收益为1 631.8万元/a。扣除运行成本，每年可节约1 609.6万元，一年即可收回投资成本，给企业带来较大经济效益。环境效益：不锈钢产品生产废水经处理后零废水排放，每年可减少污染物排放量，如减少COD约81 t/a，SS约1.8 t/a，NH3-N约0.081 t/a，减轻了对周边环境的影响，具有显著的环境效益。
6 结论
(1) 采用“预处理系统+反渗透系统+MVR蒸发系统”对不锈钢产品生产废水进行深度处理及回用，反渗透系统产水水质可以达到《城市污水再生利用工业用水水质标准》(GB/T 19923—2005)以及企业用水水质要求，反渗透系统浓水经MVR蒸发系统蒸发后冷凝水泵入原水调节池，浓液至稠厚系统继续增稠后委外处理，最终实现废水零排放。
(2) 该零排放系统对废水中的污染物去除率很高，COD、NH3-N、TN、TP平均去除率分别可达99.69%、90.60%、99.12%、99.93%，同时，系统的脱盐率和重金属离子的去除率都在99%以上。
(3) 该零排放系统经过一段时间的稳定运行，水质指标均达到要求，系统吨水运行成本为12.31元，每年可节约1 609.6万元，同时污染物减排量可观，经济、环境效益显著。
(4) 零排放技术是一个系统工程，将零排放技术应用于不锈钢综合废水的处理不仅减少了企业用水量，提高用水效率，同时，也降低了企业污染物处理成本，避免了废水排放对环境的污染。
参考文献
津公网安备 12010602120337号
