钢铁、电力等传统工业企业生产过程工业水耗量大、水质要求高及用水成本高等问题已成为影响其生产运行经济性和环保性的制约因素 。随着国家对工业用水政策限制和对废水排放要求的提高，企业全面推行节约用水成本、减少废水排放的理念，加快对厂区中水进行回收利用，将中水处理后回用、代替清洁水源，逐渐成为今后工业企业的重要水源。
1 系统介绍
1.1 工艺系统简介
该企业采用的高回收率中水回用深度处理系统以废水预处理系统的达标产水为水源，通过将传统膜法处理与反洗水回收处理系统、软化除硬工艺及浓水浓缩减量系统有效结合，使系统的产品水质达到GB/T 1576—2018《工业锅炉水质》标准相关水质要求，将系统的整体回收率提高至90%以上。系统的主要工艺流程如图1所示。
1.2 工艺特点
该系统将传统双膜法工艺与软化除硬及浓水浓缩减量工艺有效组合，充分利用各子系统的优势，具备以下优点。
第一，以膜法工艺为主体，系统除污脱盐率高、产水品质高、水质水量稳定。
第二，将一级反渗透系统的反洗水收集后进行回收处理，将反渗透浓水进行浓缩减量处理，大幅提高系统回收率。
第三，反渗透浓水软化除硬后再进行浓缩减量，可有效降低浓缩减量系统的结垢风险潜势，实现浓水的梯级浓缩，保证系统的安全稳定运行。
第四，采用双相不锈钢、316 不锈钢等高性能防腐材料，可有效防止系统腐蚀现象的发生，确保系统的安全稳定运行和产水品质合格。
第五，系统运行无需酸碱再生、对环境无二次污染，自动化程度高、操作简便灵活。
2 典型问题及形成原因分析
2.1 典型问题
2.1.1 多介质过滤器产水悬浮物超标
系统投运初期，受预处理系统水质恶化及运行不规范等因素影响，本系统进水悬浮物高达将近30 mg/L，经多介质过滤器处理后的产水悬浮物含量在10~20 mg/L之间波动，无法达到超滤系统对进水悬浮物（<5 mg/L）的要求。
2.1.2 超滤装置产水量急剧衰减、产水SDI15 值超标
本系统每套超滤装置设计净产水量为160 t/h（20 ℃），运行一个多月后，每套超滤装置的产水量在一天内衰减至近78 t/h，平均衰减率将近31.88%，最大衰减率高达将近51.25%，严重超过了超滤系统运行的允许衰减范围15%~30%，超滤运行产水衰减率如图2 所示。
超滤的运行压差从最初投运的将近0.03 MPa 升高至0.1~0.16 MPa，严重超过了超滤膜的允许运行压差0.04~0.08 MPa；超滤产水SDI15 值从最初的小于1升高至3.3~6.4，远高于反渗透系统对进水SDI15 的要求值（不大于3）。超滤连续化学清洗后运行压差的变化情况如图3 所示，超滤连续清洗时产水SDI15 值的变化情况如图4 所示。
2.1.3 软化除硬系统再生频繁，无法正常运行
本系统一级反渗透系统的回收率为75%，其浓水的硬度及含盐量均为进水的4 倍，使软化除硬系统的运行周期从原设计的将近14.1 h，衰减至将近7.1 h，衰减率高达~50%，再生频次成倍增加，再生含盐废水、冲洗水排放量和再生盐耗成倍增加，系统的制水时间减少，产水量大幅下降，后续浓缩减量系统无法正常运行。软化系统运行周期衰减率如图5 所示。
2.2 原因分析
2.2.1 水质波动大、预处理系统药剂投加量及投加方式不合理
该厂区位于黄海入海口，受季节变化、自然降水及海水倒灌等因素以及废水预处理系统运行效果的影响，水质波动较大，进水悬浮物、胶体等颗粒物含量高。有机物在颗粒物表面的吸附使颗粒物更稳定，不利于颗粒物间的聚集沉淀，影响过滤效果；而且悬浮物为微生物提供了附着场所，对微生物起到了保护作用，使其不受杀菌剂的影响；大量的无机盐营养物质聚集在颗粒表面，会使附着的细菌生长繁殖加快，削弱了杀菌剂的效果 。
此外，预处理系统运行时须投加一定量的絮凝剂（PAM）、助凝剂（PAC）及杀菌剂（NaClO）以加快悬浮物、胶体等的絮凝沉淀速度并抑制细菌、微生物及藻类的生长繁殖。但因废水预处理系统PAM 和PAC 投加量过大，导致大量未完全反应的PAM 和PAC 残留药剂进入中水回用系统而污堵超滤膜（图6、图7）。
PAC 长期过量投加逐渐在后续单元富集并析出，被冲至超滤系统后截留在超滤膜表面，堵塞超滤膜流道，造成超滤膜组件产水量衰减、运行压差升高。同时，因PAM 溶于水后为无色透明黏稠溶液，其投加过量会导致絮凝物矾花体积变大，为细菌、微生物提供附着场所，加快其繁殖速度，保护其不受杀菌剂作用。该厂预处理系统实际运行未投加杀菌剂，加剧了微生物滋生对后续系统的影响。另一方面，PAM 胶质在运行时会逐渐穿透超滤膜丝进入超滤产水池，在产水池中继续发挥絮凝作用，将极少的细小悬浮物与微生物聚集（图8、图9），使超滤产水池的水质恶化，反渗透进水的SDI15 值迅速升高，加剧反渗透进水保安过滤器的污堵（图10），恶化系统运行状况。
同时，因废水预处理系统各单元设施均为敞开式混凝土构筑物，其粗糙的表面为微生物及藻类提供了良好的附着场所，在充足的光照和适宜的水温环境下，藻类及微生物在短期内疯狂繁殖、爆发式生长（图11），需要长期投加足量杀菌剂才可将其有效抑制。而杀菌剂投加量的增大，不仅会增加系统的药剂运行成本，也使水中余氯含量增加，加速反渗透膜的氧化、衰老，影响其性能和寿命。
2.2.2 中水硬度、含盐量升高，加剧浓水膜系统结垢风险
该系统中水的硬度主要是由钙镁离子与碳酸盐结合引起的暂时硬度及其与Cl-、SO42-结合形成的永久硬度，2 种硬度均可在反渗透膜浓水侧形成无机盐结垢，导致运行压力升高、产水量衰减、产水水质恶化。
一级反渗透浓水的硬度及含盐量成倍增加，大幅缩短了软化系统的运行周期，软化系统的再生需消耗大量工业盐并产生浓盐废水。再生周期的缩短增加了系统自用水量、废水产量和再生盐耗量，减少了系统制水时间和产水率。
同时，浓水反渗透运行时需要投加高性能阻垢剂以降低膜系统的结垢风险，而硬度的骤增造成了阻垢剂投加量的增加，提高了系统运行成本，且阻垢剂的最佳性能范围一旦突破，阻垢效果受限，膜系统不可避免地会出现结垢，整个膜系统则无法正常运行。
3 处理方法
3.1 调整预处理系统药剂投加量
通过长期的运行数据分析，根据不同季节气候条件下水质的波动情况，确定合适的PAC、PAM 和杀菌剂投加量及投加比例，利用在线监控实时检测水质的变化情况，并及时调整预处理系统各药剂的投加量，保证系统的安全稳定运行。
3.2 深度化学清洗，恢复超滤装置性能
正常运行时，超滤运行出现压差升高一倍、连续5次测量反渗透进水SDI15＞3，以及超滤产水量衰减率为20%~30%时，应及时对超滤装置进行化学清洗以恢复其性能。
本系统运行中上述指标均已突破化学清洗的设定值。根据初次化学清洗的情况，判断系统为物理性堵塞及微生物有机污堵为主，将常规化学清洗方案碱洗步骤中杀菌剂的浓度提高至0.2%，碱洗循环浸泡时间延长至1.5 h，循环过程中逐渐提高反洗水流量，每隔10~15 min 测定碱洗液的pH，及时补充碱液，保证pH 维持在11~12，清除超滤膜组件内富集的微生物及有机物（图12）。为避免超滤产水池内不合格的产水影响化学清洗效果及对超滤膜造成二次污染，将超滤化学清洗水源由原设计的超滤产水调整为一级反渗透产水。此外，增加化学清洗剂擦洗的次数，延长气擦洗时间，彻底清除超滤膜表面的污堵物（图13）。
长期的累积污堵需要多次反复深度化学清洗，逐步恢复膜组件的初始性能。本系统经将近15 d 的反复清洗，超滤的运行情况明显好转和恢复，系统产水量及产水水质基本满足反渗透系统的进水要求。化学清洗剂清洗前后性能对比见表1。
3.3 产水勾兑浓水，降低浓水硬度
为避免高硬度、高含盐量的反渗透浓水在浓缩减量系统造成浓水反渗透膜结垢，软化除硬至关重要。
表2 为软化系统运行工况对比。实际硬度远高于设计硬度，因此系统的再生频次、再生盐耗及含盐废水排放量成倍增加。实际运行每台设备的再生周期将近7.1 h，每次再生耗时为2~3 h，系统无法正常运行。因此，将原设计的软化过滤器由三用一备运行调整为2台正常制水+1 台失效运行+1 台再生备用的方式。通过软化系统产水对一级浓盐水进行勾兑，以降低后续膜系统进水硬度，有效避免浓水反渗透结垢。
3.4 提高运行水平，加强运行管理
本系统工艺流程长，工艺路线复杂，各级子系统水质、水量、压力和温度等的变化都会影响整个系统的运行，对运行人员的操作水平和运行经验要求高。同时，本系统自动化程度高，控制精细，在线监控与人工检测相互对照，须规范运行人员的操作习惯、提高运行人员的操作水平、重视系统与设备的日常维护 。
4 结论与建议
1）超滤膜的可逆性污堵在短时间内会对系统运行带来极大困扰，及时采取合理的深度化学清洗方案，反复多次深度化学清洗，逐渐恢复超滤的初始性能。
2）短期内水质严重偏离设计工况时，因地制宜地调整软化除硬系统的运行机制，有效缓解再生频繁造成的系统全面瘫痪，确保系统能够保产运行。
3）从源头排查，对预处理系统药剂投加量和投加比例合理调整，规范运行操作习惯，加强运行管理，确保系统长期安全稳定运行。
4）中水水质复杂、水质波动性大等特点导致系统运行时易出现的典型问题不容忽视。采用合理的方式有效缓解、遏制微生物滋生和膜系统的结垢是保证系统长期稳定运行的关键。
