反滲透是近幾十年興起的水處理技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)給水、中水回用、廢水處理及居民生活飲用水方面，具有環(huán)保、脫鹽率高等優(yōu)勢〔1〕。
近年來我國光伏行業(yè)發(fā)展迅速，光伏廢水處理日益受到關(guān)注〔2〕。含氟廢水是光伏行業(yè)產(chǎn)生的主要廢水，大部分企業(yè)將含氟廢水經(jīng)過除氟處理后排放〔3, 4〕，但隨著水資源日益匱乏，含氟廢水回用已經(jīng)成為必然趨勢。
保定天威英利新能源有限公司主要從事硅太陽能電池的生產(chǎn)和銷售，擁有鑄錠、硅片、電池和組件全產(chǎn)業(yè)鏈。含氟廢水產(chǎn)自電池片生產(chǎn)環(huán)節(jié)，企業(yè)原有含氟廢水處理設(shè)施可以將含氟廢水通過化學(xué)沉淀法處理達(dá)標(biāo)后排放，但企業(yè)為了減少水的使用和排放，將含氟廢水通過反滲透技術(shù)處理后部分回用于生產(chǎn)。
1 廢水情況
1.1 廢水來源
企業(yè)的含氟廢水主要來源于電池車間，電池車間的工藝為：制絨→擴(kuò)散→濕法刻蝕→噴涂減反射膜→印刷燒結(jié)。其中硅片制絨和刻蝕兩個工序產(chǎn)生廢水，包括廢酸液(硝酸+氫氟酸、氫氟酸+鹽酸或氫氟酸)、廢堿液(氫氧化鉀)、酸清洗水和堿清洗水。其中廢酸液和廢堿液水量較小，為間歇排放，酸清洗水和堿清洗水水量較大，水質(zhì)水量相對穩(wěn)定。由于廢酸液水量較小，水質(zhì)和水量波動較大，且腐蝕性很強(qiáng)，因此本項(xiàng)目不考慮此部分廢水的回用，將此種廢水從生產(chǎn)設(shè)備上接出獨(dú)立管道流入企業(yè)原有處理設(shè)施除氟處理，將酸清洗水、堿清洗水和廢堿液作為回用處理的原水。
1.2 原有除氟設(shè)施情況
經(jīng)企業(yè)原有含氟廢水處理設(shè)施處理后的廢水，其出水可達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)三級標(biāo)準(zhǔn)。除氟處理設(shè)施工藝流程如圖 1所示。
圖 1 除氟處理設(shè)施工藝流程
除氟處理設(shè)施主要是通過加入石灰、氯化鈣和絮凝劑，使廢水中的氟化物與石灰和氯化鈣中的鈣離子生成氟化鈣沉淀，以達(dá)到去除廢水中氟化物的目的。
1.3 水質(zhì)水量
企業(yè)三期滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下日產(chǎn)生含氟廢水4 500 m3，含氟廢水處理系統(tǒng)設(shè)計處理水量為4 800 m3/d。含氟廢水經(jīng)除氟處理前后水質(zhì)見表 1。
由表 1可以看出，含氟廢水水質(zhì)較為清潔，生產(chǎn)過程中只是在純水中混入了酸或堿，廢水中COD和硬度較低。在除氟處理過程中加入了石灰、絮凝劑等工業(yè)藥劑，造成廢水處理后COD、電導(dǎo)率和硬度較處理前更高，處理后的水質(zhì)更為復(fù)雜，且加入過量的鈣離子對反滲透膜有較大的堵塞隱患。
2 回用工藝設(shè)計
針對企業(yè)含氟廢水水質(zhì)特點(diǎn)，決定將準(zhǔn)備回用處理的含氟廢水處理后回用到純水站代替新鮮水制備純水供應(yīng)到生產(chǎn)中，回用處理系統(tǒng)濃水排到原有除氟處理設(shè)施處理達(dá)標(biāo)后排放。回用水質(zhì)需滿足《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923—2005)表 1中工藝與產(chǎn)品用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時滿足特征指標(biāo)氟化物質(zhì)量濃度低于5 mg/L、電導(dǎo)率低于100 μS/cm的要求。本項(xiàng)目設(shè)計出水水質(zhì)要求見表 2。
經(jīng)過小型和中型試驗(yàn)，確定工藝流程如圖 2所示。
圖 2 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線
2.1 預(yù)處理工藝
預(yù)處理環(huán)節(jié)由提升泵、pH初調(diào)節(jié)池、活性炭過濾器及氫氧化鈉加藥系統(tǒng)組成。
由于廢水pH較低，且水中含有碎硅片和酸堿與硅片反應(yīng)后生成的二氧化硅等膠體物質(zhì)，因此在廢水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)前，需要先對廢水進(jìn)行預(yù)處理。
由于廢水中碎硅片顆粒較小，且廢水有較強(qiáng)腐蝕性，因此未使用常規(guī)的格柵作為攔截設(shè)備，而是在廢水進(jìn)入收集池前管道上安裝過濾精度為100 μm的布袋過濾器，過濾水中的碎硅片等物體，以避免碎硅片對反滲透膜的切割危險。
由于廢水中形成緩沖溶液，用氫氧化鈉對廢水進(jìn)行pH調(diào)節(jié)時，若直接將廢水調(diào)至中性則氫氧化鈉消耗量較大，為降低運(yùn)行成本，將pH調(diào)節(jié)分兩次進(jìn)行，進(jìn)入一級反滲透前先將pH調(diào)至5，廢水經(jīng)過一級反滲透膜處理后，去除掉大部分弱酸離子，在進(jìn)入二級反滲透前再將水pH調(diào)至中性。
活性炭過濾器用于吸附廢水中懸浮物、膠體和少量有機(jī)物，進(jìn)一步保證了反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求。過濾器設(shè)反洗系統(tǒng)，可對活性炭介質(zhì)進(jìn)行清洗，以保證活性炭介質(zhì)使用壽命。
2.2 反滲透系統(tǒng)
反滲透系統(tǒng)是本回用工程的核心，可去除水中絕大部分可溶性鹽、膠體和微生物。反滲透系統(tǒng)主要包括保安過濾器、高壓泵、兩級反滲透膜、清洗系統(tǒng)及阻垢劑、還原劑加藥系統(tǒng)等，此外，還配套了反滲透清洗和自控、監(jiān)測等設(shè)施。
2.2.1 保安過濾器
保安過濾器采用過濾精度為5 μm的濾芯，可濾除掉粒徑大于5 μm的污染物，保證反滲透膜系統(tǒng)正常運(yùn)行。要求保安過濾器進(jìn)出口壓差超過0.1 MPa時更換濾芯。
2.2.2 高壓泵
在一級和二級反滲透膜前分別安裝高壓泵，為反滲透膜組提供足夠的進(jìn)水壓力，高壓泵采用變頻控制，可根據(jù)水溫不同自動調(diào)整運(yùn)行壓強(qiáng)，并保護(hù)膜組件。
2.2.3 反滲透膜
一級反滲透膜選用海德能公司型號為PROC10的耐酸型聚酰胺負(fù)荷膜元件，該膜元件可適用于低pH水質(zhì)環(huán)境，延長了膜的使用壽命，該反滲透膜長度為1 m，單根膜脫鹽率為99.6%，具有較好的抗污染能力。膜殼采用300PSI玻璃鋼反滲透專用壓力容器。一級反滲透設(shè)計為2套系統(tǒng)，每套膜系統(tǒng)16支膜殼，每支膜殼裝有6支膜，共計192支反滲透膜。
二級反滲透膜選用海德能CPA-LD型反滲透膜元件，膜殼同樣選用300PSI玻璃鋼反滲透專用壓力容器，同樣設(shè)計為2套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)12支膜殼，每支膜殼裝6支反滲透膜，共計144支反滲透。
2.2.4 阻垢劑加藥系統(tǒng)
為了防止?jié)馑朔礉B透膜化學(xué)結(jié)垢，在廢水進(jìn)入反滲透膜前加入阻垢劑。本系統(tǒng)選用高硅阻垢劑，可有效控制無機(jī)物結(jié)垢，對堵塞膜微孔的鐵膠體和細(xì)小顆粒也起到分散作用。
加藥系統(tǒng)設(shè)置溶藥箱和計量泵，加藥量可實(shí)現(xiàn)根據(jù)流量自動調(diào)整。
2.2.5 膜清洗系統(tǒng)
反滲透運(yùn)行壓強(qiáng)應(yīng)小于2 MPa，當(dāng)系統(tǒng)長期運(yùn)行后，因微量鹽分結(jié)垢和有機(jī)物積累造成反滲透膜性能下降，運(yùn)行壓力升高，此時需用化學(xué)藥品清洗。
清洗系統(tǒng)由清洗藥箱、清洗保安過濾器和清洗泵組成。
3 系統(tǒng)運(yùn)行情況
此系統(tǒng)運(yùn)行1 a，運(yùn)行狀況良好。系統(tǒng)產(chǎn)水量為90～130 m3/h，水回收率約為60%，脫鹽率達(dá)到98%以上。系統(tǒng)運(yùn)行水質(zhì)情況見表 3。
4 效益分析
該項(xiàng)目總投資約670萬元，日處理廢水4 320 m3，產(chǎn)生可回用水2 880 m3。噸水處理費(fèi)用約為3.53元，以年運(yùn)行330 d計，年直接運(yùn)行費(fèi)用335.5萬元;按節(jié)省自來水4.25元/m3計，年節(jié)省水費(fèi)403.9萬元;由于本項(xiàng)目實(shí)施后，可減少含氟廢水除氟系統(tǒng)處理水量，每年廢水處理費(fèi)用降低237.6萬元，項(xiàng)目年凈收益306萬元，靜態(tài)投資回報期約為2.2 a，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
本項(xiàng)目實(shí)施后，每年節(jié)約新鮮水95萬m3，減少氟化物排放量11.4 t，環(huán)境效益明顯。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結(jié)論
反滲透技術(shù)在光伏廢水回用項(xiàng)目中應(yīng)用可行，實(shí)際操作后證明運(yùn)行狀況良好，既減少了新鮮水的使用，又減少了工業(yè)廢水排放，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益良好。
