內蒙古某市能源礦產資源富集，形成了以煤炭、電力、化工、建材、冶金等能源重化工產業為主的支柱產業體系。其經濟開發區配套的生活淨水廠總產水規模為14000m3/d，取水水源為某電廠地下水源井。
由於原水中總溶解性固體（TDS）、硬度和硫酸根離子含量高於《生活飲用水衛生標準》（GB 57489— 2006）中的要求，因此該淨水廠除常規混凝、沉澱、過濾工藝外，採用了雙膜法（UF+RO）對原水進行脫鹽處理，淨水廠反滲透產生的濃水及含泥水作為廢水排入市政汙水系統。由於當地水資源匱乏、環境容量較小、生態相對脆弱，特別是近年來，隨著一批大型煤化工項目的開工投產，用水量逐年增加，對環境和生態的壓力也逐漸顯現。因此在當前嚴峻的形勢下，提高廢水的回用率，發展汙水「零排放」十分必要。
一、設計水量及進出水水質
目前該淨水廠反滲透系統產水率為70%，濃水量約5000m3/d，原水濃縮倍數為3.33。淨水廠原水進水水質和「零排放」系統設計進水水質見表1。
「零排放」系統出水主要回用於經濟開發區雜用水和工業用水，執行《城市汙水再生利用工業用水水質》（GB/T 19923—2005）和《城市汙水再生利用城市雜用水水質》（GB/T 18920—2002）標準，主要出水指標見表 2。
二、工藝選擇
目前常用的「零排放」工藝為膜濃縮後進行蒸髮結晶。蒸髮結晶常用工藝包括多效蒸髮結晶和蒸汽機械再壓縮蒸髮結晶等，此類工藝造價投資遠高於一般膜濃縮工藝，且運行費用高昂，噸水處理費用高達數十元。
為了降低蒸髮結晶設備的規模，本項目在前端增設濃鹽水濃縮工藝，利用膜裝置對系統進水進一步濃縮。
淨水廠「零排放」系統進水TDS≤5000mg/L，參照以往相關項目經驗，可利用膜系統將原水濃縮10倍至TDS≤50000mg/L，後進蒸髮結晶系統。
目前常見的用於濃縮的膜系統包括普通的苦鹹水RO、海水淡化反滲透膜（SWRO）和碟管式高壓膜（DTRO）等，分別針對不同的TDS、原水汙染物質等可供選擇。本系統進水TDS≤5 000 mg/L，可利用普通的苦鹹水RO系統首先進行濃水濃縮3.3倍後達到TDS≤ 16 700 mg/L，再利用SWRO系統將該部分濃鹽水濃縮3倍至TDS≤50 000 mg/L後，進入蒸髮結晶系統進行最終的結晶處理。
因此本項目選用的工藝為「預處理+苦鹹水RO+SWRO濃縮+蒸髮結晶」。
1、「零排放」系統預處理
由於原水為淨水廠的反滲透濃水，主要汙染物包含濁度及硬度，為降低後續膜處理系統的汙染，預處理應針對主要汙染物進行選擇。目前常見的硬度去除方法包括化學除硬、離子交換法等，本系統進水硬度高達3 000 mg/L，不適宜直接採用離子交換法進行除硬，故採用石灰、純鹼軟化法降低來水的硬度至100 mg/L。原水經澄清池加藥去除大部分硬度和濁度後，進入多介質過濾器進一步降低水中濁度，使其 < 1 NTU，滿足後續工藝處理要求。
由於本系統濃縮倍數較高，為了避免有機物和SiO2對後續RO膜和SWRO膜造成汙堵，擬在預處理階段徹底去除水中硬度，以實現後段膜處理可以在鹼性條件下運行，因此工藝水在經過多介質過濾器裝置過濾後進入鈉床處理以徹底除硬。
2、「零排放」系統苦鹹水反滲透
苦鹹水反滲透系統作為目前一種常用的脫鹽工藝，一般會在其裝置前增設超濾裝置，去除膠體汙染物。超濾膜作為反滲透系統的重要預處理裝置，其優異的出水水質、極低的SDI可明顯降低反滲透膜汙染，延長反滲透膜使用壽命。
由於自來水濃水為潔淨廢水，無特殊絮狀物等汙堵物質，因此採用普通外壓式PVDF優質超濾膜工藝，保證超濾出水SDI < 3後，再進入反滲透裝置進行除鹽。
本項目原水中TDS為5 000 mg/L，考慮到膜的壓力耐受能力，RO系統回收率採用70%，RO濃水TDS設計值為16 000 mg/L，進入後續膜濃縮裝置進一步濃縮。
3、SWRO膜濃縮
本項目在預處理階段已基本去除硬度，因此可在SWRO階段採用高pH運行模式。
由於膜的Zeta電位變為很強的負電，而大部分天然顆粒帶負電，負電相斥，所以顆粒很難附著在膜的表面。在高pH條件下濃水通道的水力條件已變化，膜表面的層流邊界層變薄，顆粒置於膜表面的湍流層而被衝走。
此外，在高pH條件下，大多數生物「溶解」或遭破壞，可有效避免有機汙染；同時有機矽溶解度提高，可最大程度降低有機矽的汙染性。
因此，通過前期預處理完全除硬後，可實現膜濃縮階段在高pH條件下運行，避免了有機汙染。本項目膜濃縮段採用SWRO對苦鹹水階段的濃水進一步濃縮，濃縮倍數為3，SWRO濃水TDS為48 000 mg/L。
4、蒸髮結晶系統
蒸髮結晶的高含鹽廢水主要來自膜濃縮單元產生的濃鹽水，這部分廢水含鹽量高，不能利用。因此蒸髮結晶是實現濃水「零排放」的最終途徑。
目前，常用的結晶工藝有多效蒸發（MEE）和機械蒸汽再壓縮（MVR，也稱高效蒸髮結晶），兩類工藝各有利弊。
MEE的特點是幾個蒸發器連接起來，前一級蒸發器所產生的二次蒸汽作為後一級蒸發器的加熱熱源，包括並流、平流、逆流和錯流幾種類型。多效蒸發分離效果好，操作可靠，主要動力源為蒸汽；
MVR採用離心式蒸汽壓縮機對二次蒸汽進行壓縮，使二次蒸汽溫度提高10~18 ℃以上，用作系統蒸發熱源。在裝置啟動過程中需供給生蒸汽，正常運行後不再需要生蒸汽供給，以電能為主要動力。與MEE相比，設備價格較高，佔地面積少，能耗低，運行成本少。
根據所處理物料規模、操作方式及經濟性等綜合考慮，本項目處理工藝選擇MVR工藝，將母液最終幹化為混鹽後外運處置。
5、工藝流程
綜上，「零排放」系統水量平衡圖見圖 1。
淨水廠反滲透濃水首先進入調節池，經過水質水量調節後自流進入機械澄清池，向澄清池中投加純鹼及石灰，對水中的硬度進行軟化去除。
澄清池的上清液自流進入中間水池，經提升進入多介質過濾器，去除水中的濁度，使之達到 < 1 NTU。多介質過濾器出水進入鈉床，利用離子交換原理徹底清除水中硬度。
鈉床出水流入超濾原水池，經提升泵提升，首先經過自清洗過濾器，對水中可能殘留的顆粒、懸浮物進行截留，起到保安作用。經自清洗過濾器後進入超濾裝置，去除廢水中的生物汙染物、顆粒物、膠體、濁度、細菌等，滿足反滲透系統的進水水質。超濾裝置的產水率為90%，定時清水反洗和加藥反洗，每隔3~6月對膜進行1次化學清洗，清除膜表面汙堵。
超濾裝置的產水進入超濾產水池，經超濾水提升泵提升，提升泵出口設置管道混合器，向其投加還原劑和阻垢劑，避免其傷害反滲透膜；加藥後的水經過保安過濾器和高壓泵後進入反滲透膜堆，反滲透膜堆產水進入產品水池，濃水進入RO濃水池。反滲透水回收率為70%，脫鹽率大於95%。
RO濃水池的水經濃水提升泵提升後投加阻垢劑，避免水中濃縮後的鹽在膜表面結垢，再經過濃水保安過濾器和高壓泵後進入濃水反滲透膜堆，產水進入產品水池。濃水反滲透水回收率為40%，脫鹽率大於95%。
產品水池的水經回用水泵提升送至界區外，最終送至各用水點。濃水反滲透產生的濃水則經泵提升至濃鹽水蒸發及結晶裝置進行進一步處理。
三、主要裝置及設計參數
（1）調節池。1座，調節來水的水質水量。有效容積為150 m3，HRT為0.7 h。設置提升泵2臺，1用1備，單臺流量為230 m3/h，揚程為20 m。
（2）機械澄清池。2座，通過向澄清池中投加燒鹼及石灰，對水中的硬度進行軟化去除。單座池體處理水量為120 m3/h，直徑為7.5 m，有效水深為4.85 m。澄清池總停留時間為1.5 h，清水分離室清水上升流速為1 mm/s。每座池子設置JJ-120型澄清池攪拌機1臺，葉輪直徑為1.5 m，葉輪高度為800 mm，功率為1.5 kW。
（3）鈉床成套裝置。3臺，2用1備。單臺處理水量為115 m3/h，直徑為2.5m，表面流速為22 m/h。樹脂類型為弱酸型，型號Purolite C 104，單臺反應器樹脂填充體積為5.39 m3，再生藥劑為HCl和NaOH。
（4）外壓式UF裝置。2臺，單臺產水量為105 m3/h。選用進口PVDF材質外壓式膜，膜通量 < 50 L/（m2·h），產水率 > 90%。設置反衝洗水泵2臺，1用1備，單臺流量為180 m3/h，揚程為20 m。
（5）UF產水池。1座，有效容積為150 m3，HRT為0.7 h。設置RO提升泵2臺，1用1備，單臺流量為210 m3/h，揚程為30 m。
（6）反滲透裝置。1套，選用進口卷式平板膜，產水率為70%。設置保安過濾器2臺，單臺流量為105 m3/h；高壓泵2臺，單臺流量為105 m3/h，揚程為180 m。RO衝洗泵2臺，1用1備，單臺流量為100 m3/h，揚程為30 m。
（7）產品水池。1座，有效容積為420 m3，HRT為2 h。設置回用水提升泵3臺，2用1備，單臺流量為105 m3/h，揚程為30 m。
（8）濃水池。1座，將反滲透裝置排出的濃水進行收集。有效容積為150 m3，HRT為1 h。設置SWRO提升泵2臺，1用1備，單臺流量為60 m3/h，揚程為30 m。
（9）SWRO膜濃縮系統。1套，選用卷式平板膜，產水率為70%，型號SW30XLE-400。設置保安過濾器1臺，單臺流量為55 m3/h；高壓泵1臺，單臺流量為55 m3/h，揚程為350 m；段間增壓泵1臺，單臺流量為25 m3/h，揚程為200 m；SWRO衝洗泵2臺，1用1備，單臺流量為50 m3/h，揚程為30 m。
（10）MVR蒸髮結晶系統。1套，對膜濃縮單元產生的濃水進行蒸髮結晶處理。系統處理量為20 m3/h，進料含鹽質量濃度為46 000 mg/L。其中降膜加熱器2臺，規格為700 m2，材質管程為TA2，殼程為304不鏽鋼；降膜蒸發室2臺，規格為20 m3，材質為2205雙相不鏽鋼；升膜加熱器2臺，規格為144 m2，材質管程為TA2，殼程為304不鏽鋼；蒸髮結晶室1臺，規格為12 m3，材質為2205雙相不鏽鋼。蒸髮結晶最終產生的固體雜鹽量為25 t/d，作為危廢委外處置。
四、工程投資及運行費用
本項目直接工程費用為3 420萬元，其中土建費用1 000萬元（不含地基處理），設備購置及安裝費用2 420萬元。主要運行費用包括藥劑費（2.18萬元/d）、膜更換維修費（0.68萬元/d）、電費（2.81萬元/d）、固體雜鹽委外費（11.50萬元/d）處置等直接費用約17.18萬元/d，折合噸水成本為34.36元。
五、運行效果
目前濃鹽水零排放系統進水水量為4 600 m3/d，進水TDS為4 250 mg/L。本工程預處理系統和苦鹹水RO系統已調試運行投產使用，SWRO膜濃縮系統和MVR蒸髮結晶系統暫未完成調試運行。
現系統回用水產水量為3 350 m3/d，系統脫鹽率大於98%，回用水水質達到《城市汙水再生利用工業用水水質》（GB/T 19923—2005）和《城市汙水再生利用城市雜用水水質》（GB/T 18920—2002）標準。苦鹹水反滲透工段回收率為72%，反滲透濃水量為1 675 m3/d，TDS為15 180 mg/L。
六、結語
1、採用SWRO+MVR組合工藝處理生活淨水 廠反滲透濃水，處理出水能達到《城市汙水再生利用工業用水水質》（GB/T 19923—2005）和《城市汙水再生利用城市雜用水水質》（GB/T 18920—2002）標準。且整個系統沒有廢水外排，廢棄物以混鹽晶體的形式外運處置，具有良好的經濟效益和社會效益。
2、採用反滲透在高pH條件下運行的模式，可有效避免有機物和矽汙染。為了避免高pH條件下的結垢影響，預處理階段採用機械混凝沉澱+鈉床工藝以徹底去除硬度。
3、針對高鹽廢水的膜濃縮方式，在高pH運行條件下，採用SWRO系統可有效避免膜汙染，提高濃縮倍數，降低工程投資。
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