当下水资源短缺问题日益严重，而超纯水制备的需求越来越多。本人近期有幸参与了两个大型水处理工程的可行性分析和方案设计，其一为中部某城市污水处理厂一级A排放污水中水回用制备纯水项目的可行性分析，另外一个则是东部某城市光伏产业园大型超纯水供水系统的方案设计。
结合两个项目的实际情况，进一步考虑从中水回用到超纯水制备的方案设计，并从工艺，配置，成本分析等方面做一定的解析。
综合项目情况：某地污水处理厂一级A排放标准污水，通过机械过滤，再经过中水回用（UF+RO）装置进一步处理后作为工业用水（部分中水经过UF装置后作为市政绿化用水），继续经过水净化装置（RO+EDI+抛光）得到高纯度（电阻率≥18MΩ.CM，25℃）的超纯水。
项目主要场景及配置
中水回用厂房：污水处理厂就近配套建设，负责中水的预处理和中水回用净化，主要设备为机械过滤器+UF+一级RO装置。
园区纯水站：经过处理的中水通过管道，输送到园区纯水站生产水池，主要设备为二级RO+EDI装置，配套园区循环管道。
生产车间：根据园区不同客户的生产用水需求，选择是否配备抛光树脂装置。
备注：中水回用阶段机械过滤器设备体积占比较大，放在污水处理厂附近建设较合理。园区用地相对宝贵，采用RO+EDI的超纯水制备工艺，尽可能地减少场地需求。18M超纯水的出水极易受环境影响，需要就近需求端配置。一般建议放在需求端近处，不建议远距离管道运输，部分生产车间工艺可能只需求10-15M左右的超纯水，不需要额外配置抛光树脂装置。
各阶段工艺
中水回用阶段：原水池-石英砂过滤-活性炭过滤-盘式过滤器-板式换热器-超滤装置-超滤水箱－一级增压泵-保安过滤器-一级高压泵-一级反渗透－一级RO水箱－管道输送到园区纯水站生产水池
园区纯水站阶段：生产水池-保安过滤器-二级RO增压泵-二级RO装置－二级RO水箱-EDI增压泵-紫外线（UV）杀菌器-0.45μm微孔（膜）过滤器-EDI装置－超纯水箱（氮封水箱）－纯水泵－园区循环管道
生产车间阶段：循环管道（EDI出水）-TOC-UV装置-抛光混床-0.1μm终端过滤器-使用点
按照一期项目规划，T/H原水，生产T/H中水，转化为T/H超纯水，分别
配置4套60T/H中水-超纯水设备。我们以单套60T/H超纯水设备为基础，设计以下方案。
基本情况
1、原水水质：一级A排放标准污水
备注：国家一级A出水标准：化学需氧量(COD)≤50mg/L、生化需氧量（BOD)≤10mg/L、悬浮物(SS)≤10mg/L、总氮（以N计）15mg/L、氨氮（以N计）≤5mg/L、总磷（以P计）0.5mg/L、pH:6-9。
2、设计温度：-10～40℃
3、原水流量：≥T/H（单套）
4、进水压力：0.3-0.6MPa
5、超纯水产水流量：≥60T/H（单套）
6、系统回收率：单流程回收率50%，系统回收率不低于70%（大部分浓水回收再利用）
超滤系统产水量：≥m3/h,回收率≥80%
水质：浊度≤0.1NTU
一级反渗透产水量：≥75m3/h,回收率≥75%
水质：电导率10μs/cm
二级反渗透产水量：≥64m3/h，回收率≥85%
水质：电导率5μs/cm
EDI产水量：≥60m3/h，回收率≥95%
水质：≥15MΩ*CM（25℃）
终端供水量：≥60m3/h
水质：≥18MΩ*CM（25℃）
7、超纯水产水要求：电阻率≥18MΩ.CM（25℃）
8、控制方式：全自动控制
基本情况梳理如下：
工艺流程图如下：
工艺及配置说明
原水池（水箱）：平衡水压，通过液位控制器，检测水池液位及控制输送泵的启停。下文涉及的水池及水箱作用类似，不作单独说明。
输送泵：也称增压泵，为后续设备提供正常运行所需的供水压力和供水流量。下文涉及的增压泵和输送泵作用类似，不作单独说明。可选用某品牌CDL-2型号，扬程44M，T/H流量（配置清单仅供参考，下同）
石英砂过滤器：用于去除水中的细小颗粒（＞10μm）、胶体、悬浮物、浊度等，使出水浊度1NTU，SDI≤5。可选用碳钢材质内衬胶，ф2**6.0mm规格，2个并联。计算方法参考前文超纯水方案设计，下同。
活性炭过滤器：活性炭是广谱吸附剂，有极强的吸附过滤性能，对水中的余氯、异色、异味、有机物、微生物等具有很强的吸附作用。可选用碳钢材质内衬胶，ф2**6.0mm规格，2个并联。
盘式过滤器：又称叠片式过滤器，水流通过叠片式过滤器的进水口进入叠片式过滤器。当通过过滤叠层时，过滤叠层在弹簧力和液压的作用下紧紧地压在一起。杂质颗粒被截留在叠层的交叉处，过滤后的水从过滤叠层中过滤出来。过滤准确，可选择过滤精度，本系统选用μm级别精度，自带反冲洗，可全自动运行，模块化设计，选型比较方便。可选用某品牌DLLF-4-21-A型号处理单元3个，单个单元处理量45T/H。
板式换热器：板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器选型前一定要明确两侧四个进出口液体的温度，根据温差选型。本系统选择的热侧温差为75-60℃，冷侧温差为10-25℃，北方地区温差更大，对板式换热器的需求更高。可选用某品牌T/H流量设备。
备注：温度对膜系统的运行效率有非常明显的影响，本系统板式换热器放在UF装置之前，可以同时兼顾UF和RO装置的运行效率。
超滤装置：采用中空纤维过滤新技术，配合预处理过滤清除水中杂质；超滤微孔小于0.01微米，能彻底滤除水中的细菌、铁锈、胶体等有害物质，保留水中原有的微量元素和矿物质。超滤有相对于精密过滤更好的截留作用，更好的RO装置的运行。可选用某品牌SFP型号，单支有效膜面积77㎡，按照65L/（m2·h），处理量为5T/H单支，需要25支。
加药装置：阻垢剂，还原剂，pH调节等尾端单独补充说明。
保安过滤器：设置在反渗透（RO）之前，目的是防止水中的大颗粒物进入反渗透膜，确保RO的正常运行。保安过滤器是立式柱状设备，内装PP喷熔滤芯或者过滤袋，本系统保安过滤器为袋式过滤器，过滤精度5μm。可选用某品牌可容纳2号袋（单个处理量30T/H）4个的袋式过滤器。
备注：保安过滤器属于精密过滤器，常见的有PP喷熔滤芯过滤器，袋式过滤器，微孔膜过滤器（也有称其为微滤）等。一般前置大流量选用袋式过滤器，5μm过滤精度，前置小流量选用PP喷熔滤芯，5μm过滤精度，终端过滤器选择0.1/0.22μm微孔膜过滤器。
一级高压泵：为反渗透装置提供正常运行所需的供水压力（扬程M）和供水流量。下文涉及的高压泵作用类似，不作单独说明。可选用某品牌CDL-5-2型号，扬程M，T/H流量。
一级RO装置：当原水以一定的压力被送至反渗透膜时，水透过膜上的微小孔径，经收集后得到纯水，而水中的杂质如可溶性固体、有机物、胶体物质及细菌等则被反渗透膜截留，在截流液中浓缩并被去除。一级反渗透可去除原水中97%以上的溶解性固体，99%以上的有机物及胶体，几乎%的细菌。可选用某品牌BW30-抗污染反渗透膜75支，按照2:1的比例分别配置为一级一段和一级二段用膜。
二级高压泵：可选用某品牌CDL-4型号，扬程M，80T/H流量。
二级RO装置：可选用某品牌LE-超低压反渗透膜64支，按照3:1的比例分别配置为二级一段和二级二段用膜。此处配比比例为3：1而不是2：1请参考前文。
ROR装置：反渗透浓水通过一定的预处理（主要是去除钙镁离子），经过独立的反渗透装置，净水回到系统前端二次利用，超浓水用作园区绿化及冲厕使用。一般的预处理为软化器，本系统自带阻垢剂装置，且软化器的树脂更换较频繁，综合考虑，选择多套设备二级RO浓水集中经过ROR装置回收再利用。ROR装置净水回收率一般不超过60%，选用抗污染膜BW30-。
RO清洗（冲洗）系统：反渗透膜脱盐系统须配置一套化学清洗系统。主要用途是在反渗透膜面被污染时，用来对反渗透系统进行化学清洗的，同时在正常运转时，用来进行冲洗，将膜表面的一些沉积物冲掉，并使被压密实的膜恢复，恢复膜的性能，提高产水量，并能延长膜的寿命。RO装置的化学清洗装置由一个清洗药箱、清洗泵、5μm保安过滤器及连接管阀件组成，当膜组件受污染时，可以用它进行RO系统的化学清洗。
紫外线（UV）杀菌器：通过紫外光线的照射，破坏及改变微生物的DNA结构，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，以达到杀菌的目的。真正具有杀菌作用的是ZXB紫外线，因为C波段紫外线很易被生物体的DNA吸收，尤以.7nm左右的紫外线最佳。紫外线消毒器属于纯物理消毒方法，具有简单便捷、广谱高效、无二次污染、便于管理和实现自动化等优点。
0.45微孔膜过滤器：过滤器为圆柱体筒状结构，用或L不锈钢制成，以折叠式滤芯为过滤元件，可滤除液体、气体中0.1μm以上的微粒和细菌。常见过滤精度为0.1μm、0.22μm、0.45μm、1.0μm等。EDI装置前过滤器常用0.45或1.0μm精度微孔过滤器。超纯水终端出水口过滤器常用0.1或0.22μm精度微孔膜过滤器。本系统采用某品牌MF40-85，40寸长度滤芯，85支，处理量约85T/H。
EDI装置：电去离子技术，以膜、树脂和电化学原理相结合。EDI装置通常是应用在反渗透系统之后，取代传统的混合离子交换技术（MB-DI）生产稳定的去离子水。
EDI出水电阻率可以高达15MΩ.cm(25℃）以上，但是根据去离子水用途和系统配置设置，EDI纯水适用于制备电阻率要求在5-18.2MΩ.cm(25℃）的纯水。本系统采用某品牌IP-LXM45Z膜堆，单支处理量5T/H，12支并联而成，配以相应的电源及配件。
氮封水箱：储存超纯水，配以相应的氮封装置，隔绝空气，防止空气中杂质主要是二氧化碳对水质的影响。
TOC-UV装置：TOC装置使用特殊石英材质的紫外线灯管可以发出比nm波长更短、能量更高的nm波长。采用UV-nm低压高能紫外技术，并结合UV-nm紫外线杀菌器，通过高剂量的UV-紫外线催化，在水中产生.OH羟基自由基，对水中的有机物进行氧化降解，以达到水中TOC的含量。其中nm波长的能量要大些，产生的臭氧量相对会高很多，所以一般称为高臭氧灯，所以17M的水过TOC电阻率肯定会下降。
抛光混床：进一步去除之前处理过程中没有完全去除的离子和杂质，如阳离子、阴离子、有机物等，使出水的纯度更高。抛光混床处理后的水质更纯净，电导率更低，电阻率更高，符合高纯水甚至超纯水的要求。可选用某品牌UP6型号材质抛光树脂，L（60L/T/H超纯水处理效率），选用合适的玻璃钢罐体，按照2/3比例装填即可。
终端过滤器：0.1μm微孔膜过滤器。
加药装置：
阻垢剂加药：主要作用是防止反渗透膜结垢。主要机理如下，
1、用阴离子型或非离子型的聚合物把胶体颗粒包围起来，使它们稳定在分散状态，这类药剂称为分散剂。如：磷酸盐
2、把金属离子变成一种螯合离子或络合离子，这就抑制它们和阴离子结合产生沉淀物，这类药剂称为螯合剂和络合剂。如：EDTA
3、利用高分子混凝剂的凝聚架桥作用，把胶体颗粒结成矾花，悬浮在水中。如：聚丙烯酰胺
常用阻垢剂有：六偏磷酸钠、有机磷酸盐、多聚丙烯酸盐。控制：同一级高压泵同步启动。
还原剂加药：又称余氯还原剂，常用的还原剂有亚硫酸氢钠等。
余氯主要来自市政自来水消毒残留，以余氯化物、氯仿、氯乙酸、三氯乙酸等存在。在水环境中进行着Cl?+H?O=HCl+HClO、HClO=H++HCLO-的可逆反应。RO膜无法去除Cl2这种不带电荷的小分子。当Cl2、ClO-的浓度远超RO膜对余氯的长期耐受程度（≤0.01mg/L）时，造成RO膜的官能团功能缺失，降低RO膜的使用寿命，增加更换成本。亚硫酸氢钠除余氯的工作原理为：2NaHSO3+2HOCl—H2SO4+2HCl+Na2SO4。控制：同一级高压泵同步启动。
pH调节加药：投加适量NaOH（氢氧化钠），对二氧化碳和透过RO膜的单分子化学反应后生成分子团，更好地进行二级离子去除，从而提高二级产水效果。一般二级产水电导可达2us/cm2以下，调节得当还可达1us/cm2以下。控制：同二级高压泵同步启动。
综合成本分析
按照一期项目T/H原水，生产T/H中水，转化为T/H超纯水，分别计算出中水回用部分，园区纯水站部分单位产水价格。综合比较使用市政自来水作为原水制备超纯水的单位产水价格。
中水回用部分成本
园区纯水站部分成本
市政自来水制备超纯水成本
通过成本计算：本项目每吨超纯水的综合成本为5.44/24*30（中水部分）+5.00（园区部分）=11.80元。而直接采用市政自来水制备超纯水的单吨综合成本为5.00（市政管网）+9.80（超纯水设备）=14.80元。
综合结论
通过中水回用工艺可以减少（60%）工业废水排放，同时经过深化处理，在超纯水应用领域有一定的可行性及成本优势。
此类项目涉及到的利益相关方较多，且综合成本优势不是非常明显，期望进一步结合实际项目经验优化设计。相对于中水回用技术在废水端对企业的帮助，可以简单粗暴的减少污水治理量及其费用，回用端的积极性并不是很高，毕竟一般工业用水相对还是廉价的。
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