工业废水零排放与综合回用策略

陈希勇,李成林,钱 强

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京100038;2.金川集团有限公司动力厂,甘肃金昌737100;3.吴江华衍水务有限公司,江苏吴江215200)

对于大型工业企业而言,其不同车间产生的工业废水往往在水质水量上存在很大区别.同样,当需要对工业废水进行处理并回用时,也需要考虑不同车间回用时的水质需求.随着水资源短缺矛盾的加剧以及国家“节能减排”战略的提出与实施,对工业废水进行处理并回用已经成为许多企业自身的内在需求[1].

金川公司是国内特大型有色金属企业,位于甘肃省金昌市,属大陆性干热气候,气候干燥、风沙大、降雨少,年平均降雨量只有139.8 mm,年平均蒸发量却高达2 230 mm.全市可利用的水资源为6.3亿m3,人均水资源仅为全国平均数的46%,被列为全国严重缺水城市之一,金川公司每年供生产用水份额为6 500万m3.随着城市的发展,水资源的供需矛盾越来越突出,严重影响着城市的发展.

根据公司的统计,2002年公司总用水量已达5 675万m3,其中生产用水5 040万m3,预计在2009年公司生产用水量将超过6 500万m3的用水配额.“开源节流”是从根本上解决金川公司水资源短缺的矛盾的根本途径.工业废水作为重要的水源,若能根据工业废水水质特点及回用水水质需求,采用经济有效的方法将工业废水处理至回用水水质水平,不仅可以解决面临的水资源短缺问题,而且能减少污染物排放,实现企业零排放的目标[2].基于上述思路,金川公司提出了节约用水,提高中水使用率的技术改造方案.污水处理总站的扩能改造就是其中一项重要措施.本文以污水处理总站改造工程与工艺设计为例,介绍在工业废水处理与综合回用的技术策略及设计应用案例,为今后类似工程设计与建设提供参考依据.

1 设计参数

1.1 设计水量及水质

根据设计委托书要求,设计规模5万m3/d.根据实际运行经验,自用水量按5%计,则总设计水量为5.25万m3/d.污水处理总站的工业废水来源于冶炼厂(火法冶炼)、精炼厂(湿法冶炼)、化工厂等,处理站进水水质见表1.

表1 污水处理站进水水质(单位:mg/L)

1.2 回用水质需求与设计出水水质

根据设计委托书要求,出水将由3部分构成:第一部分为滤池出水,设计规模35 000 m3/d,将直接回用至厂区生产用水,用于选矿工艺.第二部分为滤池出水并经进一步反渗透深度处理后得到的清水,设计规模为10 500m3/d,将作为电厂锅炉脱盐水补充水.第三部分为反渗透处理浓水,设计规模为15 0004 500 m3/d,将作为火法冶炼冲渣工艺补水.其中,滤池出水与反渗透产水水质要求见表2.

表2 污水处理站不同单元出水水质要求(单位:mg/L)

1.3 工业废水及回用水量平衡分析

根据上述水量与水质分析,获得金川公司污水处理总站水量平衡图如图1所示.其中设计进水量为5万m3/d.

图1 金川公司污水处理总站水量平衡图

2 污水处理总站总体工艺设计

2.1 总体工艺设计原则

在工艺设计中,充分考虑了如下设计原则:与现场相结合,尽量利用已有的建(构)筑物,节约投资,节约用地,加快建设速度;优化工作条件,降低生产成本,便于工作人员操作和维护;对水厂的运行进行持续监测和控制;除油、过滤性能及脱盐率均高度可靠.

2.2 现有构筑物利用可行性评估

为节约工程投资并缩短工程建设周期,在本工程设计实施中尽可能利用现有的建(构)筑物.经现场调研显示,金川公司污水处理总站先后建设了两期处理工程,但未能投入使用或长期未正常运行.一期工程的构筑物运行多年损坏腐蚀严重,己无改造利用价值,二期工程的部分建(构)筑物,尚且完好,设计中尽量考虑再利用,以节省投资.

原有二期污水处理站的设施将改造用于污泥处理站.调节池、气浮沉淀池和滤池所产生的污泥集中排至污泥处理站进行处理.污泥处理站利用原有二期污水处理站的设施进行改造,原调节池改为污泥调节池,现有加速澄清池改做污泥浓缩机用.

2.3 污水处理总站总体工艺设计

经过对污水水站的进水水质分析,以及设计委托书中的要求,设计了沉砂池+调节池(空气搅拌均质)+混凝沉淀+混凝气浮+砂滤过滤+反渗透的组合处理方法确保中水及深度处理出水的水质[3].图2为采用的工艺流程图.

图2 污水处理总站工艺流程图

原水首先进入格栅池和沉砂除油池,去除较大的漂浮物及浮油后入调节池,经6 h的空气搅拌匀质调量,再用污水泵提升,通过快速管道静态混合器至孔室旋流反应室,同时在混合器进口投加聚合氯化铝,在反应池入口投加聚丙烯酰胺,经反应后的原水进入涡凹式气浮池,经气浮沉淀处理后上浮渣及沉淀污泥自流进入污泥处理站,清水自流至V型滤池[4],滤后清水至3 000 m3中水池,用水泵分别送至用水户和深度处理工序.为确保供深度处理的中水水质,在进入深度处理工序之前,再进双滤料高效过滤器进行二次过滤.高效过滤器放在深度处理厂房内.深度处理采用反渗透膜脱盐工艺,脱盐水含盐质量浓度 ＜50mg/L.直接送至热电厂,供锅炉水处理站使用.

3 处理效果及分析

污水处理总站于2005年12月完成工程建设与运行调试,并于2006年3月正式投入运行.表3对比了投入正常运行之后不同单元出水的平均水质情况,其中采样时间为2008年6月 ～7月.

表3 污水处理站不同单元出水的平均水质情况(单位:mg/L)

从表3的监测结果可以看出,沉砂池的作用主要在于去除大颗粒悬浮物SS以及吸附在颗粒物表面的颗粒态重金属(如Ni、Cu、Co等)和部分有机物(如COD、BOD、石油类)等.SS去除率达到37.0%;Ni、Cu、Co等重金属去除率分别达到20.9%、33.0%和31.1%;COD、BOD、石油类等去除率分别为12.7%、14%和16.7%;TDS去除率约为9.08%.沉砂池出水进入调节池之后污染物未明显去除,但pH值变化范围由3.2～11缩小至6～9,为后续混凝、沉淀、气浮等工艺提供良好的pH值变化范围.

调节池出水经混凝沉淀之后,沉淀池出水中污染物浓度大大降低.其中悬浮物SS、重金属去除率达到60%以上.就混凝沉淀单元对污染物去除率而言,SS去除率达到71.5%;Ni、Cu、Co等重金属去除率分别达到64.5%、71.2%和59.5%;COD与BOD等去除率分别为40.6%、25.6%;TDS去除率为7.66%.沉淀单元对石油类有机物没有去除效果.凝沉淀单元中,投加混凝剂能够有效压缩胶体表面双电层,促使胶体脱稳并易于通过沉淀过程去除,吸附在胶体表面的污染物(如有机物、重金属等)也可同时得以去除.另一方面,混凝剂水解产生絮体表面具有丰富的表面羟基,也可通过表面络合、界面吸附、共沉降等作用机制将水中溶解性重金属、有机物等固化在絮体表面,并通过沉淀单元实现污染物的去除[5-6].

混凝气浮单元主要去除水中挥发性有机物.石油类有机物去除率高达84.7%,COD、BOD去除率也分别达到31.6%和43.8%.可以推测认为,易于生物降解的小分子石油类污染物是水中BOD的重要组分,对BOD具有重要贡献.Ni、Cu、Co等重金属去除率较低,分别为4.65%、2.94%和5.88%.需要指出的是,混凝气浮单元中SS反而有略微升高,这主要是由于絮凝剂水解产生的絮体未能完全通过气浮单元去除所致,TDS的升高则归因于投加絮凝剂过程中引入阴离子.

过滤单元为确保最终出水水质提供重要屏障.过滤单元中,SS去除率达到71.1%;Ni、Cu、Co等重金属分别为18.8%、34.5%和8.3%;COD、BOD、石油类等去除率分别为12.8%、16.7%和20.7%;TDS去除率为1.87%.过滤出水中TDS质量浓度仍高达2 154mg/L,不可直接回用作为锅炉补水,需要进行后续处理.

经过上述工艺处理之后,滤后水水质满足厂区回用水要求,可以直接作为生产用水进行回用.此外,出水水质还基本满足反渗透进水水质要求,可以进行进一步脱盐处理.采用上述工艺进行处理,一方面解决了污染物排放的问题,实现了污染物零排放;另一方面,解决了金川公司水资源短缺的问题,为生产用水开拓了新的可持续性利用的水源,具有很好的经济与社会效益.

[1]任周鸣.工业企业节水减排工作中应注意的问题[J].给水排水,2008,34(7):1,31.

[2]邵 青.水处理及循环再利用技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3]上海市政工程设计研究院.给水排水设计手册:第3册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2003:440-658.

[4]何家明.V型滤池的设计与施工[J].中国给水排水,2005,21(1):97-98.

[5]汤鸿宵.羟基聚合氯化铝的混凝形态学[J].环境化学学报,1998,18(1):1-10.

[6]许春生,高艳玲,吕炳南,生物粉末活性炭微过滤法对废水回收的利用[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2004,20(6):710-714.