全膜法處理光伏單晶硅片廢水回用技術

為應對能源緊缺、全球氣候變暖等挑戰(zhàn)，太陽能光伏發(fā)電作為一種可再生能源來替代化石能源已是大勢所趨。我國的光伏行業(yè)近年來也進入快速發(fā)展期，光伏廢水處理日益受到關注。硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)是光伏產(chǎn)業(yè)的主要廢水產(chǎn)生來源之一。硅片生產(chǎn)廢水主要包含高濃度有機物(主要來源為切割冷卻液、脫膠劑和清洗劑)和懸浮物(主要為硅粉)。切割液有機物濃度高，且含有大量的硅粉，生化性很差；脫膠廢水有機物濃度和硅粉含量都很高，但生化較好；清洗廢水中有機物和硅粉都不高，但含有表面活性劑和雙氧水，具有抑菌性和生化毒性。一般采用混凝沉淀、氣浮預處理去除硅粉，并采用鐵炭微電解和水解酸化等手段改善和提高生化性后進行好氧處理，基本可以達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)三級標準，但仍然存在填料板結，或生化池硅粉沉積、占地面積大、處理后廢水不能回用等問題。

某硅材料有限公司擬擴建年產(chǎn)1.15GW單晶硅片生產(chǎn)線，采用線徑更細的金剛線工藝而不是傳統(tǒng)的砂線切割工藝，導致廢水中含有大量難以沉降的超細硅粉，且由于生產(chǎn)工藝對切割冷卻液的要求，采用專利了的切割冷卻液配方，不再使用單一的聚乙二醇(PEG)，生化性更差?，F(xiàn)有污水處理站處理能力滿足不了新的水量、水質要求，擬新建污水處理站，替代現(xiàn)有污水處理站。

1、廢水來源

該項目設計廢水進水包含經(jīng)過板框壓濾的切割液廢水、脫膠廢水、清洗廢水、插片廢水、其他污水和生活污水。其中，插片廢水和清洗水的溢流廢水COD較低，可直接達標排放，主要超標污染物為硅粉引起懸浮物。根據(jù)水質特性，分為有機廢水和含硅廢水，處理規(guī)模分別為2400m3/d和1400m3/d，各股廢水設計水量和進水水質見表1。

尾水排放標準執(zhí)行《黃河流域(陜西段)污水綜合排放標準》(DB61/224-2011)二級標準，同時滿足總量控制標準。具體指標值見表2。

為了滿足工藝清潔生產(chǎn)的要求，該工程還需對有機廢水進行處理并作為純水的原水補水進行回用。中水回用量要求為1200m3/d，要求系統(tǒng)整體回收率為50%，TDS≤500mg/L。

2、工藝設計

2.1 設計思路分析

2.1.1 分道分級處理

含硅廢水水量較大，硅粉含量較高而有機污染物較少，可簡單處理后即可滿足排放要求。如果進行生化處理，則增大生化處理單元的規(guī)模，工程造價上升，并且因為硅粉含量較多，會加速膜系統(tǒng)的堵塞。因此含硅廢水不與有機廢水混合處理，其單獨處理后在于處理后的有機廢水混合排放。

為滿足業(yè)主對中水回用量及回收率的要求，有機廢水生化處理后不能直接排放，而需要全部進入中水系統(tǒng)，然后以RO濃水的形式來排放?？紤]RO系統(tǒng)的濃縮效應、含硅廢水的混合排放效應的影響，生化出水需要進一步降低。經(jīng)測算，需要控制生化出水COD控制在≤50mg/L，則RO濃水COD可控制≤100mg/L，總排口(與含硅廢水混合)COD一期時可控制在<200mg/L，二期時可控制在<150mg/L，滿足排放要求，并可保證中水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1.2 項目分期設計

考慮項目建設初期水量較少，本工程采取設計、土建一次建設完成，設備分兩期建設完成。對有機廢水及中水回用均設計成兩個系列，每個系列的處理能力均為1200m3/d，可降低小水量運行時的動力及藥劑費用。

2.1.3 工程流程確定

根據(jù)上述廢水分質分道分級處理的分析，對硅粉廢水采用混凝氣浮沉淀一體池進行處理。對有機廢水，由于廢水的主要有機物來源為切割液、乳酸和表面活性劑，其中切割液和表面活性劑的生化性差，且具有殺菌性。采用普通生化，所需停留時間較長，且難以達到回用要求，而項目用地非常緊張，必須采用高效的處理工藝通過前期中試確定，MBR該廢水處理效果較好，能滿足回用的要求。利用膜的高效分離能力，使生化反應池內(nèi)維持高濃度的微生物量，大幅提高處理負荷，減少構筑物的容積，故主體生化工藝采用MBR工藝。結合類似廢水預處理經(jīng)驗，采用“混凝沉淀+厭氧水解沉淀+MBR”工藝進行廢水處理，并采用“超濾+反滲透”雙膜法進一步理深度處理作為生產(chǎn)用水回用。MBR工藝可確保出水COD≤50mg/L，降低中水膜系統(tǒng)的有機物引起的膜污堵風險。

2.2 工藝流程

各段工藝流程如圖1和圖2所示。

2.2.1含硅廢水處理系統(tǒng)

溢流清洗及插片廢水自流至含硅廢水調(diào)節(jié)池(原事故池)，經(jīng)提升泵泵至混凝氣浮沉淀一體機處理，上清液自流至清水槽，再經(jīng)提升泵至排放檢測池達標排放。混凝氣浮沉淀一體機的浮渣及污泥經(jīng)污泥泵泵至污泥儲池后進行后續(xù)處理。

2.2.2 有機廢水處理系統(tǒng)

有機廢水自流至格柵集水井，經(jīng)集水井提升泵提升至調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質水量，經(jīng)調(diào)節(jié)池提升泵提升至混凝池，經(jīng)加藥混凝后自流至混凝沉淀池沉淀大部分懸浮物及硅粉，上清液自流至厭氧池進行水解酸化提高廢水的可生化性，厭氧池廢水自流至沉淀池進行固液分離，進一步沉淀去除硅粉，上清液自流至好氧池進行好氧生化處理，去除廢水中大部分的有機物，好氧池出水自流至MBR池進一步去除有機物及懸浮物，MBR出水經(jīng)出水自吸泵泵至中水原水池進一步進行中水處理。混凝沉淀池、厭氧沉淀池、MBR池污泥經(jīng)污泥泵泵送至污泥儲池后進行后續(xù)處理。

2.2.3 中水回用處理系統(tǒng)

中水原水池廢水經(jīng)提升泵提升至袋式過濾器，然后進入超濾系統(tǒng)，進一步去除有機物及懸浮物，超濾濃液自流至排放檢測池，超濾出水自流至中間水槽，經(jīng)提升泵提升后，經(jīng)過5μm保安過濾器，然后增壓泵通過反滲透系統(tǒng)進行反滲透處理進一步凈化水質，反滲透濃液自流至排放水池，反滲透產(chǎn)水自流至RO產(chǎn)水池，作為純水的備用水源。

2.2.4 污泥處理系統(tǒng)

氣浮沉淀一體機污泥、混凝沉淀池、厭氧沉淀池、MBR池污泥經(jīng)污泥泵泵送至污泥儲池后，經(jīng)調(diào)質后，通過污泥泵提升至高壓板框壓濾機進行污泥脫水壓濾，污泥儲池上清液及板框壓濾液回流至集水井，干泥外運處置。

2.2.5 其他配套系統(tǒng)

1)加藥系統(tǒng)，包括污水處理站的pH調(diào)節(jié)酸堿加藥系統(tǒng)、PAC加藥系統(tǒng)、PAM加藥系統(tǒng)、MBR清洗藥劑系統(tǒng)以及中水系統(tǒng)的加藥系統(tǒng)。由于引入了生活污水，生化所需補充的氮磷等營養(yǎng)元素基本得到保障。額外所需的營養(yǎng)藥劑由污水站員工直接投加干粉，不配置加藥系統(tǒng)。

2)除臭系統(tǒng)，含硅廢水調(diào)節(jié)池、有機廢水集水井、有機廢水調(diào)節(jié)池、混凝反應池、混凝沉淀池、厭氧池、厭氧沉淀池、好氧池、MBR池、污泥儲池等所有鋼砼池體加蓋，收集臭氣，污泥脫水間等有臭氣產(chǎn)生的房間均收集臭氣，統(tǒng)一輸送至除臭間臭氣處理系統(tǒng)進行臭氣處理，處理后的臭氣高空排放。

3、主要工藝單元工程設計

3.1 含硅廢水處理系統(tǒng)

1)含硅廢水調(diào)節(jié)池。含硅廢水調(diào)節(jié)池1座，為原事故池利舊，尺寸為9mx4.5mx5m，容積約為

220m，全地下混凝土結構，設置潛水攪拌機1臺，攪拌功率3kW，配套超聲波液位計1臺；設置提升泵2臺，流量70m3/h，揚程11m，1用1備，并在吸水總管上設置引水桶。

2)混凝反應池?；炷磻?/span>1座，2.7mx2.5mx2m，分為三格，碳鋼防腐材質，設計最大處理流量，70m/h，反應停留時間11min。

3)氣浮沉淀一體池。氣浮沉淀一體池1座，含溶氣釋放區(qū)、分離區(qū)、清水池和污水池，設計處理流量：70m/h，水力表面負荷：3~5m/(m2?h)，設備溶氣水回流比為50%，清水池配套排放泵2臺，流量80m/h，揚程15m。

3.2 有機廢水處理系統(tǒng)

1)有機廢水集水井。有機廢水集水井將自流進入污水處理的廢水提升至調(diào)節(jié)池進行均質均量。設置1座，設計流量按小時峰值流量，120m/h，停留時間：15min，有效容積：30m，設計尺寸為5.0mx3.0mx3.0m。

2)有機廢水調(diào)節(jié)池。有機廢水調(diào)節(jié)池為有機廢水均質均量的單元，設置1座，停留時間為12h，設計尺寸為17.34mx8mx7.5m。

3)事故池。事故池為事故排水收集單元，設計收集過量高濃度的切割液，設置1座，停留時間，2h，設計尺寸為7.3mx4.4mx7.5m。

4)混凝反應池?；炷磻貫橛袡C廢水的預處理去除部分有機物及超細硅粉，采用3格設計，停留時間為40min，，單格尺寸為3.2mx2.3mx3.5m。

5)高效沉淀池?；炷磻貫橛袡C廢水的預處理去除部分有機物及超細硅，設置2座，設計表面負荷：0.77m/(m2?h)，單座10.8mx6.0mx7.5m。

6)厭氧池。為提高有機廢水的可生化性，設置厭氧水解池2座，停留時間8h，單座尺寸為10.8mx5.65mx7.0m。

7)厭氧沉淀池。為充分去除超細硅，避免對MBR產(chǎn)生污堵，設置厭氧沉淀池，對包裹著超細硅粉的污泥進行分離，避免進入MBR系統(tǒng)，設置厭氧沉淀池2座，表面負荷：1.2m3/(m2?h)，單座10.8mx4mx7.0m。

8)好氧池。好氧池為有機物的主要去除單元，設置2座，設計COD負荷：1.5kgCOD/(m?d)，停留時間：13.5h，單座10.8mx10mx6.5m，設好氧曝氣風機3臺(2用1備)，風量為19.8m3/min，風壓為7mH2O2變頻控制。

9)MBR池。考慮到有機廢水中含有的硅粉及硅膠等物質易導致MBR膜堵塞和污染，MBR池采用獨立膜分離單元，便于清洗。MBR池設置4座，分為兩組。單座6.8mx5.0mx6.5m。設計COD負荷：0.10kgCOD/(m3?d)，設計污泥濃度：10g/L，MBR膜通量為0.17m3/(m2?d)，MBR組件數(shù)量：24套，每池內(nèi)含有6套MBR組件。每池配置膜擦洗鼓風機1臺，風量為19.8m/min，風壓為7mH2O。MBR組件參數(shù)：型號為RW400-R；外形尺寸4290mmx2925mmx575mm；膜元件400張；有效膜面積580m2；膜布公稱孔徑0.4μm(平均0.2μm)；初始清水過濾量670L/min(20℃、5kPa)；膜類型為平板膜；膜材質為氯化聚氯乙烯(CPVC)；膜清洗為0.3%~0.6%次氯酸鈉溶液，0.5%~1.0%檸檬酸。

3.3 中水處理系統(tǒng)

1)中水原水池。為保證中水系統(tǒng)原水供應以及MBR清洗、溶藥所需水量，中水原水池采用高位溢流的形式，溢流水排放至排放檢測池。停留時間：1h，有效容積：100m，采用立式HDPE罐。

2)超濾系統(tǒng)。超濾系統(tǒng)設計處理為120m/h，預過濾采用100μm袋式過濾器，超濾膜采用40套GEZW1500，其中一期20套。設計通量為54L/(m2?h)，死端過濾。超濾膜(UF)參數(shù)：型號為ZW1500；外形尺寸p180mmx1920mm；膜組件膜面積57.7m；過濾通量范圍35~135L/(m2?h)；膜布公稱孔徑0.02μm；表面特征為非離子和親水性；初始清水過濾量為670L/min，20℃.5kPa)；膜類型為中間纖維膜(1.1mm外徑，0.66mm內(nèi)徑)；膜材質為聚偏氟乙烯(PVDF)；反沖洗頻率15~60min；反沖洗流量298~340L/(m2?h)；反洗持續(xù)時間30~60s；化學清洗周期為每隔4~8周；清洗藥劑為NaOCl、NaOH、檸檬酸。

3)反滲透系統(tǒng)。考慮到設備的節(jié)能、運行壓力、膜的透過率、膜的脫鹽率、出水的含鹽量等因素，本項目反滲透通美國海德能的LFC3-LD抗污染反滲透膜。LFC3-LD抗污染反滲透膜具有特強的抗污染性，清洗也比較方便。單支膜脫鹽率達99.5%，二氧化硅脫除率在99%以上，高于普通RO膜95%二氧化硅脫除率?？紤]到原水為中水以及膜的使用壽命等因素，以及冬季水溫低等因素，實際單支RO膜產(chǎn)水為按0.7m/h設計，RO膜設計90支，其中一期為45支，設計產(chǎn)水量：60m/h，回收率：60%。在RO膜堆前設置5μm保安過濾器。

3.4 項目設計特點

1)對切片廢水進行合理的分質分流，對含硅粉較多，不適合回用的含硅廢水，采用簡單處理后直接排放，滿足高標準排放和中水回用的要求；

2)本項目生化工藝采用了MBR工藝，有效保證了當前高標準排放和中水回用的要求；

3)厭氧水解后增加厭氧沉淀池，利用活性污泥的包裹作用進一步去除系統(tǒng)內(nèi)存在的超細硅粉，避免對后續(xù)MBR、UF及RO產(chǎn)生堵塞。

4、運行調(diào)試情況

4.1 出水情況

本項目自2016年6月建成投產(chǎn)后，至今運營穩(wěn)定。MBR產(chǎn)水COD穩(wěn)定在50mg/L以下(見圖3)，pH在7.57~8.68之間，出水濁度<1NTU、總排口出水COD基本穩(wěn)定在200mg/L以下(見圖4)，pH在7.48~8.50之間，懸浮物濃度<20mg/L。

4.2 膜污堵情況

中水在運行過程中，發(fā)生了兩次較為嚴重的膜污堵現(xiàn)象，一次為袋式過濾器、一次為反滲透系統(tǒng)；前者主要是由于PAM過量投加引起，后通過更換新的濾袋，并降低PAM投加量等應對措施；后者主要由于溶解性SiO2引起；經(jīng)分析檢測，中水原水溶解性SiO2最大達到了80mg/L，在RO系統(tǒng)內(nèi)形成硅結垢6，后采取了降低進水pH，并在混凝反應中加入了鎂劑除硅等控制措施。此外，通過對污堵的成分分析，可以驗證超細硅粉引起的污堵得到了有效控制。目前中水系統(tǒng)運行穩(wěn)定，RO系統(tǒng)僅需半年進行一次恢復性清洗。

5、投資及運行成本

本工程總投資約2500萬元，污水處理成本為4.85元/m3，中水回用成本為5.8元/t。

6、結論

1)本項目中試及工程設計運行結果表明，MBR工藝+雙膜法在切片廢水高標準排放和中水回用具有良好的效果；

2)分質分流對中水回用起到了很好的保證作用，且對出水達標沒有產(chǎn)生影響，有效的降低了企業(yè)的運行成本；

3)高效沉淀池、厭氧沉淀池的設置，對超細硅粉起到了很好的攔截作用，提高了膜系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。（來源：江蘇道同環(huán)境科技有限公司）