工業廢水零排放與綜合回用策略

陳希勇,李成林,錢 強

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京100038;2.金川集團有限公司動力廠,甘肅金昌737100;3.吳江華衍水務有限公司,江蘇吳江215200)

對于大型工業企業而言,其不同車間產生的工業廢水往往在水質水量上存在很大區別.同樣,當需要對工業廢水進行處理并回用時,也需要考慮不同車間回用時的水質需求.隨著水資源短缺矛盾的加劇以及國家“節能減排”戰略的提出與實施,對工業廢水進行處理并回用已經成為許多企業自身的內在需求[1].

金川公司是國內特大型有色金屬企業,位于甘肅省金昌市,屬大陸性干熱氣候,氣候干燥、風沙大、降雨少,年平均降雨量只有139.8 mm,年平均蒸發量卻高達2 230 mm.全市可利用的水資源為6.3億m3,人均水資源僅為全國平均數的46%,被列為全國嚴重缺水城市之一,金川公司每年供生產用水份額為6 500萬m3.隨著城市的發展,水資源的供需矛盾越來越突出,嚴重影響著城市的發展.

根據公司的統計,2002年公司總用水量已達5 675萬m3,其中生產用水5 040萬m3,預計在2009年公司生產用水量將超過6 500萬m3的用水配額.“開源節流”是從根本上解決金川公司水資源短缺的矛盾的根本途徑.工業廢水作為重要的水源,若能根據工業廢水水質特點及回用水水質需求,采用經濟有效的方法將工業廢水處理至回用水水質水平,不僅可以解決面臨的水資源短缺問題,而且能減少污染物排放,實現企業零排放的目標[2].基于上述思路,金川公司提出了節約用水,提高中水使用率的技術改造方案.污水處理總站的擴能改造就是其中一項重要措施.本文以污水處理總站改造工程與工藝設計為例,介紹在工業廢水處理與綜合回用的技術策略及設計應用案例,為今后類似工程設計與建設提供參考依據.

1 設計參數

1.1 設計水量及水質

根據設計委托書要求,設計規模5萬m3/d.根據實際運行經驗,自用水量按5%計,則總設計水量為5.25萬m3/d.污水處理總站的工業廢水來源于冶煉廠(火法冶煉)、精煉廠(濕法冶煉)、化工廠等,處理站進水水質見表1.

表1 污水處理站進水水質(單位:mg/L)

1.2 回用水質需求與設計出水水質

根據設計委托書要求,出水將由3部分構成:第一部分為濾池出水,設計規模35 000 m3/d,將直接回用至廠區生產用水,用于選礦工藝.第二部分為濾池出水并經進一步反滲透深度處理后得到的清水,設計規模為10 500m3/d,將作為電廠鍋爐脫鹽水補充水.第三部分為反滲透處理濃水,設計規模為15 0004 500 m3/d,將作為火法冶煉沖渣工藝補水.其中,濾池出水與反滲透產水水質要求見表2.

表2 污水處理站不同單元出水水質要求(單位:mg/L)

1.3 工業廢水及回用水量平衡分析

根據上述水量與水質分析,獲得金川公司污水處理總站水量平衡圖如圖1所示.其中設計進水量為5萬m3/d.

圖1 金川公司污水處理總站水量平衡圖

2 污水處理總站總體工藝設計

2.1 總體工藝設計原則

在工藝設計中,充分考慮了如下設計原則:與現場相結合,盡量利用已有的建(構)筑物,節約投資,節約用地,加快建設速度;優化工作條件,降低生產成本,便于工作人員操作和維護;對水廠的運行進行持續監測和控制;除油、過濾性能及脫鹽率均高度可靠.

2.2 現有構筑物利用可行性評估

為節約工程投資并縮短工程建設周期,在本工程設計實施中盡可能利用現有的建(構)筑物.經現場調研顯示,金川公司污水處理總站先后建設了兩期處理工程,但未能投入使用或長期未正常運行.一期工程的構筑物運行多年損壞腐蝕嚴重,己無改造利用價值,二期工程的部分建(構)筑物,尚且完好,設計中盡量考慮再利用,以節省投資.

原有二期污水處理站的設施將改造用于污泥處理站.調節池、氣浮沉淀池和濾池所產生的污泥集中排至污泥處理站進行處理.污泥處理站利用原有二期污水處理站的設施進行改造,原調節池改為污泥調節池,現有加速澄清池改做污泥濃縮機用.

2.3 污水處理總站總體工藝設計

經過對污水水站的進水水質分析,以及設計委托書中的要求,設計了沉砂池+調節池(空氣攪拌均質)+混凝沉淀+混凝氣浮+砂濾過濾+反滲透的組合處理方法確保中水及深度處理出水的水質[3].圖2為采用的工藝流程圖.

圖2 污水處理總站工藝流程圖

原水首先進入格柵池和沉砂除油池,去除較大的漂浮物及浮油后入調節池,經6 h的空氣攪拌勻質調量,再用污水泵提升,通過快速管道靜態混合器至孔室旋流反應室,同時在混合器進口投加聚合氯化鋁,在反應池入口投加聚丙烯酰胺,經反應后的原水進入渦凹式氣浮池,經氣浮沉淀處理后上浮渣及沉淀污泥自流進入污泥處理站,清水自流至V型濾池[4],濾后清水至3 000 m3中水池,用水泵分別送至用水戶和深度處理工序.為確保供深度處理的中水水質,在進入深度處理工序之前,再進雙濾料高效過濾器進行二次過濾.高效過濾器放在深度處理廠房內.深度處理采用反滲透膜脫鹽工藝,脫鹽水含鹽質量濃度 ＜50mg/L.直接送至熱電廠,供鍋爐水處理站使用.

3 處理效果及分析

污水處理總站于2005年12月完成工程建設與運行調試,并于2006年3月正式投入運行.表3對比了投入正常運行之后不同單元出水的平均水質情況,其中采樣時間為2008年6月 ～7月.

表3 污水處理站不同單元出水的平均水質情況(單位:mg/L)

從表3的監測結果可以看出,沉砂池的作用主要在于去除大顆粒懸浮物SS以及吸附在顆粒物表面的顆粒態重金屬(如Ni、Cu、Co等)和部分有機物(如COD、BOD、石油類)等.SS去除率達到37.0%;Ni、Cu、Co等重金屬去除率分別達到20.9%、33.0%和31.1%;COD、BOD、石油類等去除率分別為12.7%、14%和16.7%;TDS去除率約為9.08%.沉砂池出水進入調節池之后污染物未明顯去除,但pH值變化范圍由3.2～11縮小至6～9,為后續混凝、沉淀、氣浮等工藝提供良好的pH值變化范圍.

調節池出水經混凝沉淀之后,沉淀池出水中污染物濃度大大降低.其中懸浮物SS、重金屬去除率達到60%以上.就混凝沉淀單元對污染物去除率而言,SS去除率達到71.5%;Ni、Cu、Co等重金屬去除率分別達到64.5%、71.2%和59.5%;COD與BOD等去除率分別為40.6%、25.6%;TDS去除率為7.66%.沉淀單元對石油類有機物沒有去除效果.凝沉淀單元中,投加混凝劑能夠有效壓縮膠體表面雙電層,促使膠體脫穩并易于通過沉淀過程去除,吸附在膠體表面的污染物(如有機物、重金屬等)也可同時得以去除.另一方面,混凝劑水解產生絮體表面具有豐富的表面羥基,也可通過表面絡合、界面吸附、共沉降等作用機制將水中溶解性重金屬、有機物等固化在絮體表面,并通過沉淀單元實現污染物的去除[5-6].

混凝氣浮單元主要去除水中揮發性有機物.石油類有機物去除率高達84.7%,COD、BOD去除率也分別達到31.6%和43.8%.可以推測認為,易于生物降解的小分子石油類污染物是水中BOD的重要組分,對BOD具有重要貢獻.Ni、Cu、Co等重金屬去除率較低,分別為4.65%、2.94%和5.88%.需要指出的是,混凝氣浮單元中SS反而有略微升高,這主要是由于絮凝劑水解產生的絮體未能完全通過氣浮單元去除所致,TDS的升高則歸因于投加絮凝劑過程中引入陰離子.

過濾單元為確保最終出水水質提供重要屏障.過濾單元中,SS去除率達到71.1%;Ni、Cu、Co等重金屬分別為18.8%、34.5%和8.3%;COD、BOD、石油類等去除率分別為12.8%、16.7%和20.7%;TDS去除率為1.87%.過濾出水中TDS質量濃度仍高達2 154mg/L,不可直接回用作為鍋爐補水,需要進行后續處理.

經過上述工藝處理之后,濾后水水質滿足廠區回用水要求,可以直接作為生產用水進行回用.此外,出水水質還基本滿足反滲透進水水質要求,可以進行進一步脫鹽處理.采用上述工藝進行處理,一方面解決了污染物排放的問題,實現了污染物零排放;另一方面,解決了金川公司水資源短缺的問題,為生產用水開拓了新的可持續性利用的水源,具有很好的經濟與社會效益.

[1]任周鳴.工業企業節水減排工作中應注意的問題[J].給水排水,2008,34(7):1,31.

[2]邵 青.水處理及循環再利用技術[M].北京:化學工業出版社,2004.

[3]上海市政工程設計研究院.給水排水設計手冊:第3冊[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,2003:440-658.

[4]何家明.V型濾池的設計與施工[J].中國給水排水,2005,21(1):97-98.

[5]湯鴻宵.羥基聚合氯化鋁的混凝形態學[J].環境化學學報,1998,18(1):1-10.

[6]許春生,高艷玲,呂炳南,生物粉末活性炭微過濾法對廢水回收的利用[J].哈爾濱商業大學學報:自然科學版,2004,20(6):710-714.