在全球水资源日益紧缺，环境保护政策日益严格的形势下，天津某酶制剂厂计划新建1套废水回用处理设备，用于对现有废水处理站出水进行深度处理，将处理出水回用作为冷却塔补水。目前，该厂废水处理站的主要处理工艺为调节池-厌氧-好氧-混凝气浮，出水直接纳管排放。该废水处理站出水具有盐分高、硬度高、有机物及氨氮含量高的特点。针对现场调查及废水处理站出水水质，决定采用多介质过滤-超滤-反渗透的深度处理工艺。为验证该工艺的可行性，进行了一系列中试研究。结果表明，该工艺系统运行稳定，各项产水指标均满足冷却塔补水的水质要求，其经济效益、环境效益显著。
1 试验材料与方法
1.1 废水来源与水质状况
试验所取废水为天津某酶制剂厂废水 处理站出水，其水质：COD 177.3mg/L，NH4+-N 12.4mg/L，TP 0.4mg/L，Cl- 1 395mg/L，总硬度(以CaCO3计)353.1mg/L，碱度(以CaCO3计) 1 311.7mg/L，电导率 6 437.3μS/cm，pH 7~8。
1.2 试验设备
多介质过滤系统1套：包括进水泵、反洗泵、产水箱、多介质过滤器等，过滤系统处理能力为2m3/h;超滤系统1套：包括进水泵、150μm袋式过滤器、NORIT超滤膜1支(内压式，膜丝材质PES，膜面积40m2)、赛诺超滤膜1支(外压式，膜丝材质PVDF，膜面积50m2)、产水箱、反洗泵等;反渗透系统1套：包括进水泵、保安过滤器、高压泵、反渗透膜元件(陶氏BW30-400FR)3支、产水箱、冲洗泵等;清洗加药系统包括阻垢剂加药系统、还原剂加药系统、清洗系统等。
2 结果和结论
2.1 系统运行稳定性
2.1.1 超滤运行稳定性
中试超滤运行首先选用了内压式PES超滤膜，采用厂商推荐的70L/(m2·h)的通量运行，每天运行12h，每隔4h进行1次数据记录。其运行效果如图 1所示。
图 1 内压式PES超滤膜运行效果
由图 1可以看出，运行期间超滤平均产水流量为2.8m3/h。但运行一段时间后，进水压力上升速度逐渐加快，从第7天开始，运行12h后进水压力就上升到0.1 MPa以上，即需要进行化学清洗。在化学清洗过程中，采用盐酸/柠檬酸/EDTA清洗均无明显效果，采用次氯酸钠和碱洗的效果较为明显(控制pH为10，余氯为500mg/L)，产水量可以得到有效恢复，清洗时如果余氯<500mg/L，清洗效果较差。但PES材质超滤膜元件对余氯的耐受性较差〔1〕，通常清洗时余氯质量浓度建议小于500mg/L，大于该数值时会严重影响超滤膜使用寿命。实验结果表明，该PES超滤膜不适用于该类废水回用系统。因此，更换对余氯耐受性较好的外压式PVDF超滤膜(实验选取的PVDF超滤膜清洗时可耐受的余氯为5 000mg/L)进行实验。
外压式PVDF超滤膜采用厂商推荐的45L/(m2·h)的通量运行，连续24h运行，共运行40d，每隔12h进行1次数据记录，其运行效果如图 2所示。
图 2 外压式PVDF超滤膜运行效果
由图 2可以看出，整个试验期间，进水压力<0.15 MPa，产水流量平均为1.8m3/h。运行期间，超滤膜压力、产水量变化较为规律，平均每3天需要进行1次清洗。清洗分别采用了质量分数为0.2%的HCl、质量分数为2%的柠檬酸、质量分数为0.1%的氢氧化钠+EDTA、不同浓度的次氯酸钠，结果表明，采用1 000mg/L的次氯酸钠溶液清洗效果最理想，判断其主要污染物为有机物和微生物等。
2.1.2 反渗透运行稳定性
根据陶氏反渗透设计导则〔2〕，针对进水水质，选用了抗污染反渗透膜元件，并采用18.3L/(m2·h)的通量运行，运行期间阻垢剂投加量为3mg/L，还原剂投加量为2mg/L。试验过程中，进水水温较为恒定，基本维持在17℃左右，反渗透未作工况的调整。反渗透运行结果如图 3所示。
图 3 反渗透运行效果
由图 3可以看出，整个试验期间反渗透系统运行较为稳定，进水压力平均为1.56 MPa，产水流量平均为1.57m3/h。反渗透系统回收率为70%。试验期间，膜的通量、运行压力、运行压差以及脱盐率等均未发生明显变化，未进行膜的清洗;反渗透进水保安过滤器也未出现因高压差需要更换的情形。
2.2 系统产水水质
2.2.1 超滤产水SDI
SDI是衡量超滤产水水质最重要的指标，通常认为超滤产水SDI<3是反渗透系统稳定运行的前提，在此条件下反渗透系统可保持较长的清洗周期。试验期间超滤产水SDI的变化如图 4所示。
图 4 超滤产水SDI的变化
由图 4可以看出，整个试验期间超滤产水SDI均小于3，平均为1.85，超滤产水性能稳定。
2.2.2 反渗透产水电导率
反渗透产水电导率和脱盐率是衡量反渗透系统的主要指标。试验期间反渗透产水电导率的变化如图 5所示。
图 5 反渗透产水电导率的变化
由图 5可以看出，反渗透进水电导率波动较大，产水电导率较为稳定。试验期间进水电导率平均为6 441μS/cm，产水电导率平均为163μS/cm，平均脱盐率达到97.5%。通常反渗透系统的脱盐率为98%，该反渗透系统脱盐率低于此脱盐率的主要原因：(1) 进水含盐量较高，超出苦咸水超滤膜的最佳运行电导率范围;(2)膜元件较少，为维持70%的回收率，采用了较大的浓水回流流量，导致进膜水的实际电导率升高。
2.2.3 反渗透产水水质
试验期间反渗透产水水质如表 1所示。
由表 1可以看出，反渗透产水水质满足冷却塔补水水质要求〔3〕，实际工程中，其产水可作为冷却塔补水使用。
2.3 经济性评估
该厂冷却塔每天的平均补水量为600m3/d，因此，以日产水量600m3的反渗透系统，在满负荷工作下进行经济性评估，评估结果见表 2。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
3 结论
(1)针对高盐分、高有机物废水，相比PES内压式超滤膜，PVDF外压式超滤膜更加适用。采用PVDF外压式超滤膜，在通量为45L/(m2·h)的工况下，能保证超滤系统稳定运行;超滤膜污堵后采用1 000mg/L次氯酸钠溶液进行清洗，超滤产水通量可以得到恢复。反渗透采用抗污染膜元件，在通量为18.3L/(m2·h)的工况下，可以较好地控制膜的污染。
(2)试验期间，超滤产水SDI均小于3，满足反渗透进水要求;反渗透产水水质满足冷却塔补水水质标准。
(3)针对600m3/d产水量的系统，投资费用为300万元，电耗/化学品/易耗品/人工等费用为42.5万元，每年可节约水费170.8万元，投资回报期为2.3 a。