2015年4月16日国务院正式发布《水污染防治行动计划》(简称“水十条”),从全局和战略高度对水污染防治工作进行顶层设计和谋划，提出了工业节水和污染物排放总量控制等要求。2019年4月15日，国家发展改革委、水利部发布《关于印发〈国家节水行动方案〉的通知》,对工业节水减排作出要求，大力推进工业节水改造，强化生产用水管理，推广废污水再生利用工艺和技术，支持企业开展节水技改及再生水回用技改，全面提升水资源利用效率。
四川泸天化股份有限公司(简称泸天化)是一家大型氮肥企业，主要产品有合成氨、尿素、甲醇、硝酸、硝铵等，泸天化取水水源全部来自长江，总取水量已接近国家相关产品取水消耗定额标准，面临严峻的节水压力。2016年、2017年、2018年泸天化污水总排口监测排放量分别为3 890.2 kt、4 552.7 kt、4 062.4 kt。为减少总排口污水排放量，保护环境，最大限度地提高水资源利用效率，结合实际生产情况，泸天化提出并实施了循环水系统排污水回收利用技改——中水回用项目，将循环水系统排污水进行适当处理回用于生产系统。以下对有关情况作一总结。
1 排污水回收利用的必要性与可行性分析
泸天化污水总排口排放水中约60％ 是泸天化3＃、4＃、5＃凉水塔排水和四川泸天化绿源醇业有限责任公司（简称绿源醇业） 凉水塔、机械过滤器反洗、活性炭过滤器等排水， 还有少量的砂滤池反洗水、工艺冷凝液排水， 这些排水含污染物浓度低， 非常适合进行回收利用。因此， 选择合适的工艺技术， 开发新的水处理流程， 使这些排放水经过部分脱盐后回用于生产装置， 从而可减少泸天化的污水排放量， 减少取水量， 达到节水减排的目的。
1.1 必要性分析
实际生产中，泸天化循环水系统排放水主要包括：① 正常运行时将循环水浓缩倍数控制在指标范围内的连续排水，这部分水水量稳定、含盐量高、有机污染物少，为清洁排水；② 为控制循环水系统中的微生物而不定期进行杀菌灭藻后的置换排放水，这部分水水量较大(夏季置换排水至少1～2次/月),受外界因素影响大；③ 为处理因工艺介质泄漏需要排放的置换水，这部分水水量大，主要含氨、硝酸盐等污染物，受外界因素影响较大；④ 循环水系统开车期间化学清洗、预膜处理后的排放水(包括正常运行期间因各种原因进行补膜处理后的排放水),这部分水水量较大，排放水中有少量的有机磷；⑤ 补充水滤池和旁滤池反冲洗排水，这部分水水浊度高、悬浮物和微生物含量高、瞬时水量大，进入污水处理系统处理后达标排放；⑥ 循环水系统停车期间清扫水池的排放水，这部分水进入污水处理系统处理后达标排放。
上述循环水系统排水中，除了⑤、⑥两项排污水直接进入污水处理系统外，其他排水在满足排放指标要求的前提下均直接排放至总排口外排，造成外排水量大、外排污染物总量高的状况，有必要对这部分排水进行回收利用。
1.2 可行性分析
工业装置外排污水回收利用一般有两种途径：一种是污水收集后经去除悬浮物、杀菌、软化等简单处理后替代新鲜水用作循环水系统的补水；另一种是污水收集后经深度处理以制取脱盐水，用作锅炉补水。由于循环水系统运行过程中不断地蒸发浓缩，含盐量也随着循环水浓缩倍数的提高而进一步增加，第一种回收利用方式可以去除部分钙、镁离子，但对循环水系统有害的离子如氯离子不能除去，会在循环水系统运行过程中不断累积，在现有药剂配方下往往不能有效减缓系统的腐蚀，会造成循环水系统腐蚀加剧，危及工业装置的正常生产，因此其应用受到很大的限制；第二种回收利用方式通过脱盐技术将水中绝大部分的阴、阳离子去除后再进行后续利用，只需选择合适的脱盐技术路线即可，不存在技术风险，其运行管理经验成熟，切实可行。
目前，污水处理主流的脱盐技术有阴阳离子交换法、电渗析法、反渗透膜法等。阴阳离子交换法再生废水量大，要消耗大量酸、碱，设备占地面积大，且泸天化现有污水处理系统能力有限，不适合采用；电渗析法和RO反渗透膜法设备占地面积小，运行过程中产生的废水量少，但电渗析法装置投资大、运行电耗高，RO反渗透膜法在经济性方面有优势。因此，对泸天化来说选用反渗透膜法处理循环水系统排污水较为理想。
2 循环水系统及排污水水质概况
2.1 循环水系统概况
泸天化循环水系统根据生产装置的分布情况主要分为3个区域，分别位于合成氨/尿素装置区、绿源醇业甲醇/二甲醚装置区、硝酸/硝铵装置区。其中，合成氨/尿素装置区有3#、4#、5#凉水塔分别单独供应合成氨装置新系统、合成氨装置老系统、尿素装置老系统；绿源醇业凉水塔与甲醇/二甲醚装置单独配套；硝酸/硝铵装置区有3套循环水系统，分别供应Ⅰ硝、间硝和Ⅲ硝生产装置。循环水系统总保有水量约22 000 m³,循环水处理能力为62 000 m³/h, 配备补充水滤池、旁滤池共计15套；缓释阻垢剂配方为无磷配方，循环水浓缩倍数控制在5倍左右，排污水总量约350 m³/h。
2.2 循环水系统排污水水质
循环水系统排污水包括凉水塔水池底部排污水和滤池反洗水排放水(滤池反洗水排放量占比较小，本中水回用项目设计时参考循环水水质分析数据即可),凉水塔水池底部排污水水质与循环水日常水质监测分析数据一致。由于硝酸/硝铵装置区循环水系统排污量较小，因此排污水水质主要参照合成氨/尿素装置区和绿源醇业醇醚装置区循环水的分析数据(见表1)。
表1 循环水水质分析数据(平均值)
| 项 目 | 3#凉水塔循环水 | 4#凉水塔循环水 | 5#凉水塔循环水 | 绿源醇业循环水 |
|---|---|---|---|---|
| pH | 8.16 | 8.25 | 8.20 | 7.56 |
| 电导率/μS·cm-1 | 1 957.39 | 833.70 | 2 182.63 | 950.13 |
| 浊度/NTU | 5.95 | 5.69 | 3.82 | 10.00 |
| 悬浮物/mg·L-1 | 29.43 | 31.14 | 24.00 | 28.00 |
| COD/mg·L-1 | 5.65 | 3.58 | 5.57 | 47.69 |
| 总铁/mg·L-1 | 0.14 | 0.60 | 0.14 | 0.32 |
| Zn2+/mg·L-1 | 1.39 | 2.33 | 1.30 | 1.49 |
| Cl-/mg·L-1 | 133.22 | 59.38 | 149.63 | 37.10 |
| SO/mg·L-1 | 246.51 | 155.20 | 252.28 | 102.20 |
| 钙硬度/mg·L-1 | 588 | 228 | 656 | 121.28 |
| 镁硬度/mg·L-1 | 246 | 90 | 260 | 28.81 |
| 总碱度/mg·L-1 | 341 | 266 | 285 | 128.00 |
| SiO2/mg·L-1 | 25.77 | 9.71 | 27.88 | 4.27 |
| NH3-N/mg·L-1 | 0.16 | 0.46 | 0.11 | 2.49 |
| NO/mg·L-1 | 1.38 | 0.55 | 1.66 | 6.02 |
| 生物粘泥/mL·m-3 | 0.650 | 0.739 | 0.500 | 0.767 |
| 异养菌/个·mL-1 | 5 000 | 7 500 | 3 000 | 11 000 |
注：钙硬度、镁硬度、总碱度均以CaCO3计。
由表1可以看出，最大总硬度(以CaCO3计)为5#凉水塔循环水的656+260=916 mg/L,最大总碱度(以CaCO3计)为3#凉水塔循环水的341 mg/L,循环水系统排污水总硬度(以CaCO3计)平均值为554.5 mg/L、总碱度(以CaCO3计)平均值为255 mg/L,基本上属于高硬度中等碱度污水。
3 中水回用项目技术方案
3.1 中水回用项目技术路线比选
据泸天化循环水系统排污水属高硬度中等碱度污水的特性，对其进行回收利用，须通过脱盐工艺降低含盐量，因此本中水回用工艺技术主要考虑脱盐技术的选择。综合考虑目前主流脱盐技术及运行维护过程中产生废料的处理问题等，本中水回用项目脱盐水系统采用反渗透膜法，膜组件选用抗污染能力强的反渗透膜。经分析与论证，其具体技术路线主要有如下两种。
方案一：各循环水系统排污水→收集池→水泵→澄清池→清水池→清水泵→多介质过滤器→活性炭过滤器→保安过滤器→高压泵→反渗透系统→淡水箱→淡水泵→用水单元。
方案二：各循环水系统排污水→收集池→水泵→澄清池→清水池→清水泵→超滤膜系统→保安过滤器→高压泵→反渗透系统→淡水箱→淡水泵→用水单元。
循环水中存在一定数量的微生物，易造成反渗透膜的污堵，需在上述方案中的澄清池或清水池内加入杀菌剂以抑制水中微生物的生长；清净水进入反渗透系统前投加还原剂和阻垢剂，防止膜组结垢和氧化。中水回用技术方案对比见表2。可以看出，方案一投资适中、阻垢剂用量较少、固体废弃物易处置，相较而言更优。
表2 中水回用技术方案对比
| 项 目 | 方案一 | 方案二 |
|---|---|---|
| 总投资 | 适中 | 较大 |
| 占地面积 | 适中 | 适中 |
| 药剂消耗量 | 较少 | 适中 |
| 新增污染物情况 | 反渗透用阻垢剂 | 超滤、反渗透用阻垢剂 |
| 其他废弃物 | 膜组件，石英砂、活性炭 | 膜组件 |
| 反洗水量 | 适中 | 较小 |
3.2 中水回用项目实现方式及出水去向
泸天化有闲置澄清池1座，设备设施修复后可利用；有闲置的检修厂房1座，可作为反渗透系统设备安装场地，仅需占用少量土地新建多介质过滤器、活性炭过滤器、清水池、收集池。
反渗透系统产水水质较好，已除去大部分盐类物，回用至泸天化公用工程车间脱盐水处理装置经现有的浮动床阴阳离子交换器、混床离子交换器深度脱盐处理后，用作蒸汽锅炉补水；反渗透系统运行产生的浓盐水、化学清洗产生的废水则排入泸天化污水处理系统处理后达标排放。
3.3 中水回用项目处理能力的确定
据泸天化循环水系统排污水总量约350 m³/h及水质情况，污水回收率按60%考虑，反渗透系统的淡水产量为350×60%=210 m³/h。由于3个生产装置区每年需停车大修，循环水系统也同步停车大修，为便于运行管理及负荷调整，中水回用装置设计按每组60 m³/h淡水产量来配置膜组，共计4套，即中水回用装置总的淡水产量按4×60=240 m³/h设计。
4 中水回用项目实施及运行情况
4.1 中水回用项目实施概况
泸天化2019年7月底成立中水回用项目组，经过项目招投标、签订合同、土建施工等，于2020年9月进入主体设备安装阶段，所有机械、电气、仪表设备安装就位并单体试车完成后，于2021年4月进行系统总流程的联调联试并消缺，之后进入试运行阶段。
4.2 中水回用装置运行情况
中水回用装置在试运行稳定、现场缺陷处理完毕后，2021年6月对A、B、C、D四组反渗透膜组进行了为期3 d的性能考核，其考核数据见表3。
表3 反渗透系统性能考核数据
| 项 目 | 反渗透膜组A/B/C/D |
|---|---|
| 最大进水量/m3·h-1 | 85/86/84/84 |
| 最小进水量/m3·h-1 | 81/82/80/80 |
| 平均进水量/m3·h-1 | 83.50/83.66/81.69/81.68 |
| 最大浓水量/m3·h-1 | 23.1/22.8/23.8/21.9 |
| 最小浓水量/m3·h-1 | 22/20/21/21 |
| 平均浓水量/m3·h-1 | 22.59/21.19/23.19/21.12 |
| 最大产水量/m3·h-1 | 63.8/67.0/61.2/63.0 |
| 最小产水量/m3·h-1 | 60.0/64.0/59.0/60.0 |
| 平均产水量/m3·h-1 | 62.31/65.66/60.25/61.07 |
| 回收率/% | 74.62/78.48/73.75/74.77 |
| 脱盐率/% | 98.81/98.89/98.74/98.83 |
由表3可以看出，中水回用装置性能考核期间反渗透系统回收率≥70%、脱盐率≥95%,满足《反渗透水处理设备》(GB/T 19249—2017)以及《环境保护产品技术要求反渗透水处理装置》(HJ/T 270—2006)中脱盐率≥95%的要求。
中水回用装置转入正常运行以来，各设备运行良好，达到预期设计要求，减少了泸天化污水排放量。2022年1—7月中水回用装置主要运行参数及消耗见表4。
表4 中水回用装置主要运行参数及消耗统计
| 项 目 | 1月 | 2月 | 3月 | 4月 | 5月 | 6月 | 7月 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 进水量/t | 117 163 | 85 581 | 113 250 | 164 000 | 165 492 | 166 601 | 161 276 |
| 产水量/t | 85 955 | 60 353 | 80 017 | 121 322 | 123 345 | 129 961 | 121 850 |
| 浓水量/t | 32 599 | 22 857 | 32 490 | 42 440 | 41 361 | 38 477 | 36 901 |
| 回收率/% | 73.36 | 70.52 | 70.66 | 73.98 | 74.53 | 78.01 | 75.55 |
| 电/kW·h | 161 509 | 138 393 | 154 907 | 221 916 | 222 854 | 236 714 | 222 393 |
| 阻垢剂/kg | 1 000 | 900 | 1 300 | 1 080 | 1 300 | 900 | 1 100 |
| 杀菌剂/kg | 700 | 1 884 | 2 070 | 2 790 | 4 470 | 3 390 | 5 340 |
| 还原剂/kg | 275 | 200 | 175 | 275 | 175 | 200 | 275 |
4.3 运行问题及解决措施
中水回用装置投运以来，反渗透膜前的保安过滤器滤芯污堵较为严重，更换频率较高，基本上每个月需更换1次；拆开滤芯检查，发现微生物粘泥较多，有明显的生物腐败气味，也存在少量的活性炭粉末。分析认为是预处理阶段杀菌处理不当造成微生物较多繁殖，微生物被保安过滤器滤芯截留而造成污堵，而杀菌不彻底的原因在于原设计的次氯酸钠杀菌剂投加点位于清水池进口处致杀菌剂停留时间较短。
解决措施：将次氯酸钠杀菌剂的投加点改在澄清池进口处，以延长杀菌剂的停留时间，并根据水量变化及时调整次氯酸钠杀菌剂的投加量，控制清水池清水余氯在0.05～0.10 mg/L左右。杀菌剂投加点调整后，保安过滤器运行周期有所延长，约1.5个月更换1次滤芯。后续还将对活性炭过滤器的填料进行更换，并增设石英砂垫层拦截细小的活性炭粉末，以延长保安过滤器滤芯的使用周期。
5 效益分析
(1)直接效益。
据表4数据，2022年1—7月中水回用装置电费[电价按0.6元/(kW·h)计]为1358686×0.6=815 211.6元，各种药剂费用为213 153.7元，共回收淡水722 803 t, 则中水回用装置正常运行时的平均单耗为(815211.6+213153.7)/722803=1.42元/t, 工业用水价格按2.80元/t计，2022年1—7月中水回用项目产生的经济效益为(2.80-1.42)×722803=997 468.14元。
(2)间接效益。
泸天化蒸汽锅炉系统使用的脱盐水是由公用工程车间脱盐水处理装置生产的，其主要生产工艺为工业原水预处理、浮动床阴阳离子交换器脱盐处理、混床离子交换器脱盐处理；中水回用装置反渗透系统的淡水回收至浮动床阴阳离子交换器进口段后，对于原有的脱盐水处理装置来说，工业原水预处理水量减少了约50%,如此一来，浮动床阴阳离子交换器制水周期可由24 h延长至96 h, 降低了再生频率，节约了酸、碱消耗，脱盐水制备成本下降，且减少了再生废水量，减轻了污水处理系统的负荷，会带来一定的间接效益。
6 总结
节水减排是各化工企业目前面临的挑战，通过各种经济、可行的技术手段实现零排放，是广大水处理技术人员及管理人员等需研究的重要课题。而循环水系统排污水回用是近年来化工企业节水减排关注的重点环节，泸天化将循环水系统排污水经中水回用装置处理后回收至脱盐水系统深度处理后加以利用，达到了节水减排的目的。
实践表明，利用反渗透技术处理循环水系统排污水，回收至脱盐水系统深度处理是一条成熟的技术路线，其操作维护简单，可减少污水排放量、降低水资源消耗；随着反渗透膜制备技术及其抗污染能力的提高，反渗透膜成本不断下降，其应用领域也将不断扩大；反渗透处理技术在中水回用领域具有一定的经济性和实用性，选用抗污染膜及膜组件，优化操作条件，延长膜的使用寿命，降低处理成本，对于工业节水领域而言具有重要意义。
