邵亞軍，譚善濤，黃金明，張須媚

（杭州英普環(huán)境技術股份有限公司，浙江杭州 310000）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及工業(yè)化進程的加速，水資源短缺一直是影響我國各地區(qū)工業(yè)發(fā)展的關鍵問題〔1〕。鋼鐵行業(yè)是五大耗水行業(yè)之一，用水量約占工業(yè)用水總量的20%〔2〕；鋼鐵工業(yè)也是廢水排放大戶，其廢水排放量約占工業(yè)廢水排放總量的11.3%〔3〕。出于節(jié)水及環(huán)保方面的考慮，提高廢水回用率、實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用、降低噸鋼耗水、實現(xiàn)真正意義的節(jié)能減排，是當前各大鋼鐵企業(yè)面臨并迫切需要解決的問題〔4〕。

某大型鋼鐵企業(yè)積極響應國家號召，在2009 年建成了一套產(chǎn)能達3.2 萬t/d 的雙膜法中水回用系統(tǒng)，但是投入運行8 a 來，由于各種原因，系統(tǒng)運行狀況較差，整套中水回用系統(tǒng)日均產(chǎn)水量一直在1.2 萬～1.7 萬t 之間波動。雖然企業(yè)努力運營，但系統(tǒng)仍未達到在正常設計出水量下長周期運行的目的，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟和環(huán)保壓力。

2018 年該鋼鐵企業(yè)通過國內(nèi)類TOT（恢復檢修重置+結合托管運營）競標方式選擇和英普環(huán)境合作，以期通過專業(yè)技術團隊的改造及運營實現(xiàn)原有系統(tǒng)的重生和后續(xù)穩(wěn)定運行。

1 工程概況

1.1 原系統(tǒng)概況

雙膜法中水回用系統(tǒng)的進水是鋼鐵廠污水系統(tǒng)處理后的中水，產(chǎn)水需滿足鋼鐵企業(yè)的回用指標，具體見表1。

表1 雙膜法中水回用系統(tǒng)進、出水水質(zhì)指標Table 1 Influent and effluent water quality from water reuse system by double membrane method

鋼鐵廠設計雙膜法中水回用系統(tǒng)的處理水量為4.8 萬t/d，該系統(tǒng)的主要設備為超濾裝置及反滲透裝置，具體設計參數(shù)如表2 所示。

表2 雙膜法工藝設備的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the double membrane process equipment

1.2 雙膜法中水回用系統(tǒng)介紹

圖1 為雙膜法中水回用的工藝流程。

圖1 雙膜法中水回用工藝Fig.1 Water reuse process of double membrane method

如圖1 所示，污水系統(tǒng)處理后的中水經(jīng)超濾提升泵泵入過濾精度為100 μm 的自清洗過濾器，過濾去除直徑＞100 μm 的懸浮物、顆粒物、膠體等，防止其進入超濾系統(tǒng)對超濾設備造成不可逆損傷和嚴重污堵，確保超濾系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。自清洗過濾器出水進入超濾系統(tǒng)，超濾系統(tǒng)可以去除直徑＞0.025 μm的有機物、膠體等，盡可能地滿足反滲透系統(tǒng)的進水要求。超濾系統(tǒng)產(chǎn)水通過反滲透提升泵泵入裝有5 μm PP 濾芯的保安過濾器，將超濾產(chǎn)水池及管道中的懸浮物、有機物、膠體等截留，進一步確保反滲透系統(tǒng)的正常運行。保安過濾器出水經(jīng)高壓泵泵入反滲透系統(tǒng)，反滲透系統(tǒng)可以去除廢水中的大部分離子和有機物。反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水一部分作為鋼鐵廠工藝用水，其余補充到工業(yè)新水系統(tǒng)；濃水排放到污水處理系統(tǒng)進行再處理。

2 存在問題及改造、維護方案

2.1 存在的主要問題

由于鋼鐵廠廢水成分復雜多變，經(jīng)污水系統(tǒng)處理后的中水里仍含有少量的有機物、油污等。這些雜質(zhì)進入雙膜法中水回用系統(tǒng)后，超濾系統(tǒng)不能對其完全攔截，導致反滲透膜污堵嚴重，中水回用系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)運行期間存在的問題主要有：

（1）儀表壓縮空氣含水率超標，導致系統(tǒng)氣動閥不能正常運行。

（2）自清洗過濾器未能正常運行，導致超濾膜經(jīng)常污堵，產(chǎn)水量下降。

（3）超濾進水管路采用鋼襯膠材質(zhì)，經(jīng)過長期運行后，部分管路襯膠脫落，導致自清洗過濾器頻繁污堵，甚至損壞過濾器濾網(wǎng)、毛刷。

（4）超濾系統(tǒng)設計不足，系統(tǒng)管道產(chǎn)生的水錘導致超濾機組震動，引起超濾膜膜絲損壞，超濾產(chǎn)水水質(zhì)變差，直接影響后續(xù)反滲透系統(tǒng)的運行。

（5）經(jīng)跟蹤分析檢測，超濾產(chǎn)水仍然存在未被截留的微量油污。這些油污進入反滲透膜，導致反滲透膜污染嚴重。盡管采用了多種清洗方法，但反滲透膜仍得不到有效清洗，反滲透膜的膜通量比較難恢復。長期運行使中水回用系統(tǒng)產(chǎn)水量不斷降低，系統(tǒng)運行效果越來越差，反滲透膜更換周期變短。

2.2 改造、維護方案

（1）完善儀表壓縮空氣的處理工藝，增設冷干機、油水過濾器等，確保壓縮空氣的質(zhì)量。

（2）將原有超濾膜和反滲透膜進行徹底的離線清洗和性能測試，將部分損壞的超濾膜更換為性能更佳的不易斷絲的七孔內(nèi)壓式超濾膜，將部分損壞的反滲透膜更換為抗污染反滲透膜；對自清洗過濾器進行維修，使其自控設置恢復正常運行。

（3）通過專業(yè)儀器檢查，徹底更換襯膠脫落的管道，解決因襯膠脫落引起的自清洗過濾器污堵及濾網(wǎng)、毛刷損壞等問題。

（4）在超濾反洗排放管道上安裝虹吸破壞裝置，破壞超濾管道的虹吸現(xiàn)象，解決由水錘引起的超濾機組震動及超濾膜斷絲問題。

（5）調(diào)整超濾系統(tǒng)化學強化反沖洗（CEB）的運行參數(shù)，并結合在線清洗改善超濾清洗效果，提高超濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（6）采用SEM-EDS、FT-IR、GC/MS 等分析手段對反滲透膜上的污垢進行取樣并詳細分析，結果表明污染物類型為苯環(huán)類油污及硫垢。采用英普環(huán)境針對苯環(huán)類油污、硫垢專門研發(fā)的FC970 及FC830反滲透膜清洗劑對反滲透膜進行離線清洗。清洗后的反滲透膜的膜通量得到較好的恢復，清洗效果較好，清洗頻次從1 周清洗1 次變?yōu)?～3 個月清洗1次，節(jié)省了大量清洗藥劑和人工費用。

（7）增設英普環(huán)境膜法水處理系統(tǒng)的遠程服務看護裝置，實現(xiàn)現(xiàn)場專業(yè)人員和總公司技術專家同步對現(xiàn)場技術問題的專業(yè)會診和及時指導。

3 改造后運營效果

3.1 運行效果

經(jīng)改造后，雙膜法中水回用系統(tǒng)原先存在的運行問題得到有效解決，系統(tǒng)可以長期安全、高效、平穩(wěn)地運行。系統(tǒng)改造前后的具體運行參數(shù)見表3。

表3 系統(tǒng)改造前后的數(shù)據(jù)對比表Table 3 Data comparison before and after system modification

由表3 可知，雙膜法中水回用系統(tǒng)經(jīng)過改造后，超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)的水回收率均達到表2 的設計參數(shù)；系統(tǒng)的產(chǎn)水電導率在100 μS/cm 以下，達到了鋼鐵廠的回用水要求（表1）；雙膜法中水回用系統(tǒng)的進水量達到了4.8 萬t/d 以上，符合鋼鐵廠原中水回用系統(tǒng)的設計要求。

系統(tǒng)運行3 a 來，超濾（UF）系統(tǒng)的進出水水量及產(chǎn)水SDI 變化見圖2。

如圖2（a）所示，超濾系統(tǒng)運行3 a 來的進水量≥4.8 萬t/d，產(chǎn)水量≥4.42 萬t/d，水回收率≥92%，說明超濾系統(tǒng)運行穩(wěn)定。如圖2（b）所示，超濾系統(tǒng)運行3 a 來產(chǎn)水的SDI 在1～5 之間波動，說明超濾產(chǎn)水水質(zhì)比較穩(wěn)定。

圖2 超濾系統(tǒng)3 a 來的運行狀況Fig.2 Operation status of ultrafiltration system in 3 years

圖3 為反滲透（RO）系統(tǒng)3 a 來的進出水水量及水回收率變化情況。

圖3 反滲透系統(tǒng)水量及其水回收率變化Fig.3 The changes of water amount and water recovery rate of reverse osmosis

如圖3 所示，系統(tǒng)運行3 a 來，反滲透系統(tǒng)的進水量≥4.23 萬t/d，產(chǎn)水量＞3.2 萬t/d，水回收率＞75%，說明反滲透系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖4 為系統(tǒng)運行3 a 來，進出水水質(zhì)的變化情況。

圖4 雙膜法中水回用系統(tǒng)進出水的水質(zhì)變化Fig.4 The changes of influent and effluent water quality from water reuse system by double membrane method

如圖4 所示，雙膜法中水回用系統(tǒng)進水的電導率為2 500～3 500 μS/cm，總硬度為300～420 mg/L，總堿度為20～100 mg/L，Cl-質(zhì)量濃度基本為300～500 mg/L，COD為15～40 mg/L，油質(zhì)量濃度為0～2.5 mg/L。經(jīng)過雙膜法中水回用系統(tǒng)處理后，系統(tǒng)出水電導率＜100 μS/cm，除鹽率＞96%，總硬度＜5 mg/L，總堿度＜28 mg/L，Cl-質(zhì)量濃度＜16 mg/L，COD＜5 mg/L，油質(zhì)量濃度＜0.1 mg/L，符合表1 的產(chǎn)水水質(zhì)要求。

3.2 膜清洗維護

3.2.1 超濾膜清洗維護

超濾設備的清洗維護采用“定期反洗+CEB 清洗+化學清洗”模式。超濾系統(tǒng)每運行40 min，用超濾產(chǎn)水反洗50 s；運行35 次為一個周期，每周期采用一次CEB 清洗；同時，超濾膜每年進行一次化學清洗，化學清洗采用鹽酸和英普環(huán)境研發(fā)的FC820清洗劑進行清洗。圖5 為不同超濾膜組件清洗前后的跨膜壓差及產(chǎn)水量的對比圖，8 套超濾膜經(jīng)過化學清洗后，跨膜壓差降低，產(chǎn)水量得到有效恢復。

圖5 超濾清洗前后跨膜壓差（a）和產(chǎn)水量（b）的對比Fig.5 Comparison of transmembrane pressure difference（a）and water yield（b）before and after ultrafiltration cleaning

3.2.2 反滲透膜清洗維護

反滲透設備的清洗維護采用“定期沖洗+化學清洗”的方式。反滲透系統(tǒng)每運行12 h，停機進行低壓沖洗；當反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量下降15%時，將反滲透系統(tǒng)停機，并對被污染的反滲透膜進行化學清洗，化學清洗采用英普環(huán)境研發(fā)的FC970 及FC830 清洗劑進行清洗。圖6 為不同反滲透膜組件清洗前后的段間壓差及產(chǎn)水量對比圖，8 套反滲透膜經(jīng)過化學清洗后，反滲透的段間壓差降低，產(chǎn)水量得到有效恢復。

圖6 反滲透清洗前后段間壓差（a）和產(chǎn)水量（b）的對比Fig.6 Comparison of pressure difference between segments（a）and water yield（b）before and after reverse osmosis cleaning

3.3 經(jīng)濟效益

該鋼鐵企業(yè)通過采用TOT 經(jīng)營模式，引進專業(yè)水處理公司專業(yè)運營中水回用系統(tǒng)后，解決了系統(tǒng)的運營問題，消除了企業(yè)的經(jīng)營壓力，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。改造后的系統(tǒng)產(chǎn)水量是原系統(tǒng)產(chǎn)水量的1.9 倍，同時電耗下降了48%，藥劑費用下降了37%，膜、濾芯等備件損耗費用下降了67%。

4 結論

某鋼鐵企業(yè)對其大型雙膜法中水回用系統(tǒng)進行了升級改造，解決了原系統(tǒng)存在的運行問題。系統(tǒng)改造后，實現(xiàn)了超濾系統(tǒng)水回收率≥92%、反滲透系統(tǒng)水回收率＞75%、系統(tǒng)產(chǎn)水電導率＜100 μS/cm、系統(tǒng)產(chǎn)水量＞3.2 萬t/d 的目標，實現(xiàn)了節(jié)約新鮮用水、降低噸鋼水耗、減少廢水排放的目的。改造后系統(tǒng)電耗下降了48%，藥劑費用下降37%，膜、濾芯等備件損耗費用下降了67%，經(jīng)濟效益顯著。

該鋼鐵企業(yè)雙膜法中水回用系統(tǒng)的成功改造與運營，為其他類似鋼鐵企業(yè)的水處理與回用系統(tǒng)的改造及運營起到良好的示范效應。