中水回用方案与经济性比较

李成益 吴颖杰

(1 金浦投资控股集团有限公司， 江苏 南京，210009；2 中国石化扬子石油化工有限公司，江苏 南京，210048)

一般来说，工业废水、城市污水或生活污水处理后达到一定的水质标准，可作为在一定范围内重复使用的非饮用水,因其水质介于上水(给水)与下水(排水)之间，因此称作中水。中水回用则是将工业或城市污水进行处理后作为再生资源回用。中水回用的效果有两个：一是节约水资源的消耗；二是减少废水的排放，降低对水环境的污染。研究中水回用技术及其经济性，对提高中水处理技术、降低中水回用成本具有重要意义。

中国石化扬子石油化工有限公司(以下简称扬子石化)现有两套污水A/O生化处理装置和一套纯氧生化处理装置，处理量2 300 m3/h。纯氧生化处理装置为二级生化处理装置，采用纯氧曝气活性污泥法、A/O接触氧化法生化处理方法去除污水中有机污染物，并经过“溶气气浮、臭氧氧化和曝气生物滤池”组合工艺的深度处理，使其污水排放达到国家标准要求。

1 中水利用领域及要求

1.1 中水回用的领域

(1)农业灌溉：二级处理，成本低，但须防止污水对土壤的污染和有害残留物的累积。

(2)城市杂用：包括生活杂用水，环境、娱乐和景观用水。

(3)地下回灌：补充地下水，保持地下水位，控制地面沉降。

(4)生活饮用：包括直接回用和间接回用。直接回用，处理厂最后的出水被直接注入到生活用水配水管网；间接回用，指河湖上游的污水经净化处理后又排入水体或渗入地下含水层，成为下游或该地区的饮用水源。

(5)工业回用：冷却用水、热力和工艺用水、洗涤用水。

1.2 中水回用的要求

为贯彻水污染防治和水资源开发利用方针，做好节约用水工作，实现污水资源化，减少污水对环境的污染，促进城镇建设和经济可持续发展，国家制定了《城市污水再生利用》系列标准。

扬子石化中水与不同用途的水质部分指标对比情况见表1。

由表1可见：在已列出的部分项目中，水厂中水水质的部分指标不能满足中水回用生物的要求，需进一步处理后才能利用。

不合格项主要有：悬浮物、浊度、生物耗氧量(BOD)、氨氮、石油类、氯离子及部分金属离子含量等指标。

注：1)城市杂用水标准GB/T 18920—2002中，用于车辆冲洗的要求最高；2)景观环境用水标准GB/T 18921—2002中，以景观娱乐用水要求最高。

2 中水回用方案比较

2.1 中水回用去向选择

表1中的城市杂用水主要用作：冲厕、道路清扫、消防、城市绿化、车辆冲洗和建筑施工，其中用作混凝土拌合用水还应符合JGJ63的有关规定。上述杂用水用途中，扬子石化的道路清扫、绿化和建筑施工的用水量有限，而循环冷却水补水量大。与冷却循环水相比，中水分析项目中的不合格项较少，意味着只要稍经深度处理即可满足要求。

扬子石化和扬子石化-巴斯夫有限责任公司(以下简称扬巴公司)的生产用水中，很大一部分用于循环水补水和软化水制水。2016年扬子石化循环水场的制水能力为229 200 m3/h,平均补水量为2 420m3/h；扬子热电厂脱盐水总制水能力为1 800 t/h，总供水能力为1 350 t/h。如将水厂的中水进行深度处理后作为工业用水，既可达到节水的目的，又可以减少废水排放量。另外，中水深度处理后作为工业水的补充水，用量比较稳定，季节性影响小，也有利于深度处理装置的稳定运行。

从长远看，将中水先处理到工业水补充水的质量水平，作为循环冷却水的补充水，再择机处理到锅炉给水的水平，可进一步提高扬子石化中水利用水平。

2.2 技术方案比较

2.2.1 中水处理方案比较

将中水经处理后作为工艺补水(工业水)，即：中水→再生水，分别采用膜处理(方案一)和离子树脂交换(方案二)进行比较

方案一：膜处理工艺技术方案采用双膜法(浸没式超滤UF+反渗透RO),简易流程见图1。

图1 方案一简易流程

方案二：设计离子交换柱的直径为3 m，阳离子交换树脂装填高度为2.83 m，单台装填体积为20 m3；阴离子交换树脂装填高度为4.8 m，单台装填体积34 m3。简易流程见图2。

图2 方案二简易流程

两个方案以产品水(即再生水)250 t/h为目标，工艺计算结果见表2。

表2 中水处理方案比较

由表2可见：膜处理的得水率为62.5%，树脂法为53.88%，膜处理的得水率高于树脂法。离子交换树脂再生时用了较多的酸碱，经中和后形成了盐，这部分新增的可溶性盐也需要随再生废水一起返回生化池继续进行处理，增加了生化池进水的盐处理量。水厂净一车间污水总水量为2 300 t/h，如规划的1 250 t/h中水回用全部采用树脂法，则新增盐11 530 t/a，膜处理法仅增加245.6 t/a，生化池进水盐含量增加值分别为186，3.55 g/m3。从项目可行性方面看，采用树脂交换处理在技术上不可行。

根据表1数据、扬子石化有关能源动力单价及中国石油化工集团公司经济技术研究院编制的《中国石油化工项目可行性研究技术经济——参数与数据》(2016版)的计算方法，盐酸采用山东地区企业出厂价3年平均值，烧碱采用江苏地区企业出厂价3年平均值，水、电、蒸汽及氮气采用化工园区价格，折旧按照残值5%、15年直线折旧。方案一和方案二的成本构成见表3。

表3 再生水生产成本比较

从表3可见：膜处理和树脂法的再生水制造成本分别为5.55，9.56元/t，而在南京这样的丰水地区的工业水价格最高为3元/t，因此废水回用的经济性较差，如没有财政和税收补贴，项目难以可持续运行。相比较而言，膜处理法好于树脂法。

综上比较，无论从技术上还是经济方面分析，中水回用工艺采用膜处理方案较为合适。

2.2.2 再生水深度处理方案比较

再生水利用的第二阶段是将处理后的再生水再处理后作为软化水(脱盐水)，即：再生水→软化水，分别采用膜处理(方案三)和树脂交换(方案四)。为便于比较，将扬子石化最常见的软化水工艺即采用树脂交换将工业水(原水)→软化水作为平行对比方案(方案五)。将上述3个方案的比较列于表4中。3个方案均以产品水量350 t/h为设计目标。

由表4可见：再生水的某些指标好于原水，吨产品水的耗水量低于原水；再生水用膜处理时，吨产品水的耗水量高于树脂法。由表5可计算出各方案的吨脱盐水制造成本。

计算结果表明：采用树脂交换法处理的成本最低，膜处理法的成本最高。另外，经过膜处理后的再生水其离子含量低于原水，因此酸碱消耗也低，成本也稍低。

表4 再生水制脱盐水工艺消耗比较

表5 各方案的脱盐水成本制造

脱盐水按照6元/m3计算，3个方案的技术经济评价结果汇总见表6。

由表6可见：无论采用哪个方案，项目的财务内部收益率(税后)都达不到13%，这也表明作为公用工程投资，其产品和市场有别于一般工业品，因其市场风险小，投资收益率也不会高，公用工程的投资回收期一般都比较长，公用工程的服务合同一般也比较长。财务评价结果表明，脱盐水采用离子交换树脂工艺的经济性好于其他两个方案，这与生产成本比较结果一致。

表6 技术经济评价汇

经过以上比较，中水回用的总体方案优化结果是：先采用膜法(超滤+反渗透)，再采用离子树脂交换制脱盐水。

3 实际应用情况

2012年4月扬子石化水厂400 t/h中水回用装置投运后，积累了不少经验，为满足脱盐水水质要求，在二期中水回用装置的设计中，对再生水的部分水质指标进行了调整(见表7)。

二期出水水质指标提高后，对保证脱盐水单元的正常运行、降低脱盐水单元运行成本发挥了作用。实际生产中，出水水质的电导率为80～110 μS/cm。

2015年，扬子石化投资1.2亿元建设的污水处理回收利用二期工程正式投入运行，中水处理能力达到850 t/h，中水总处理能力达到1 250 t/h，总再生水量达到810 t/h。为了节约投资，将二期560 t/h的再生水送热电厂作为脱盐水单元的进水。

在实际操作过程中，扬子石化通过对系统进行优化、挖掘潜力，严格控制工程造价以降低折旧费用，压降辅助材料采购成本，通过集中布置减少了定员、降低了人工成本。通过上述一系列措施，有效地控制了制造成本。2016—2017年实际成本统计见表8。

表7 再生水水质指标对比

表8 实际成本统计 元/t

由表8可知：如剔除分摊的公用工程消耗，再生水的车间成本为3.157元/t；如将再生水按照工业水计价，脱盐水的生产成本为2.994元/t，两个产品的成本较规划方案均有所降低。

4 结论与建议

(1)采用膜处理方法(超滤+反渗透)处理中水在技术上是可行的，相对于其他方案也是比较经济的；在丰水地区进行中水回用，需有财政支持才能维持运行。

(2)再生水作为循环冷却水的补水是可行的。根据《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T 19923—2005)要求，再生水作为工业循环冷却水补充水时，“不宜少于一年的逐月水质全分析资料，并应包括再生水水源组成及其处理工艺等资料，水质分析项目宜符合相关规定”。经过一年多的运行，再生水的水质稳定，符合作为间冷开式系统循环冷却水的补充水的要求。扬巴公司1#、2#、4#循环水场的循环水量大于72 000 m3/h，补充水量大于500 m3/h。按照扬子石化水厂一期污水回用装置所产中水250 m3/h计，还需补充工业水250 m3/h，为防止有机物、氨-氮及氯离子的积累影响设备正常运行，仍需加强循环水系统的水质监测。

(3)再生水作为脱盐水进水的补充水是可行的。经过两年多的运行，中水回用二期所产再生水的水质符合GB/T 19923—2005之锅炉补给水水源标准。扬子石化热电厂化学水处理系统总制水能力为1 800 t/h，即使二期所产的560 t/h再生水全部作为脱盐水的进水，还需补充部分低硅水，为保证中水回用项目正常运行，将其作为热电厂化学水的补充水水源是明智的选择。

(4)加强膜设备的维护，确保后续各装置稳定运行。对失效、破损的膜进行剖析研究，发现规律，及时更换。

(5)提高中水水质监测自动化水平。中水回用装置增设必要的在线分析仪表，为下游用户提供质量保障。

ABSTRACT

Through comparing the water quality of the reclaimed water with the whereabouts of the reused water and the water quality indicators of different uses, the treatment plan of reusing the reclaimed water is put forward. Respective techno-economic comparisons of the plans were also made for putting forward the combination plan. Based on analysis of the actual application situation and the plan, the directions for improvement were proposed.

Keywords: water reuse, membrane treatment, desalination water, techno-economy