墨西哥通用汽車公司在墨西哥的Silao建設(shè)運行了一個汽車裝配廠。這個工廠位于干旱地區(qū)，距墨西哥城西北大約350km。供給水源是位于現(xiàn)場的6個井。井水中含有一定的鈣和鎂硬度，也含有高濃度的溶解性硅。

由于在1999年迫近的擴產(chǎn)和2001年計劃建一個新的汽車廠，通用汽車在1997年啟動了一個水管理項目（WMP），這個項目包括節(jié)水和擴大升級目前的水和廢水處理設(shè)施。本文主要涉及水處理廠的擴容和升級。

在WMP項目以前，Silao工廠利用石灰單級軟化。水處理廠的關(guān)鍵組成部分是兩個固體接觸澄清池（SCC’S）。SCC’S在用石灰將PH調(diào)到10運行。澄清池出水用H2SO4中和后，再過濾、消毒，貯存在一個（飲用水）貯存罐中。在反應(yīng)池/澄清池中產(chǎn)生的污泥被泵打到污泥容罐中，然后經(jīng)板框壓濾機脫水。這個處理對去除水中的鈣是有效的。然而，硅和鎂只能去除一部分。

升級主要考慮改進去除硬度（如鎂）和硅，同時利用這些工藝節(jié)水和減少廢水排放。為了得到最佳的運行狀態(tài)，實驗室和現(xiàn)場測試是要做的。測試后得出為了達到通用汽車的水質(zhì)要求，二段軟化工藝是需要的。二段軟化工藝是在SCC’S的下游安裝再碳酸化和微濾設(shè)備，第一段軟化工藝在PH=11.5下運行。另一列保持傳統(tǒng)的單級軟化工藝在PH=10下運行。二段系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生了低鈣、鎂和硅的供給水，這也使通用汽車工藝設(shè)備的排水降至最低，節(jié)約了水源。

介紹

Silao工廠最初的水和廢水處理設(shè)施于1994年被安裝，水處理系統(tǒng)采用一段石灰軟化工藝，這個系統(tǒng)去除地下水中的鈣是有效的，但只能部分去除地下水中的鎂和硅。處理后的水可以用在很多場合，比如冷卻塔補水、設(shè)備沖洗水、鍋爐補給水、空氣加濕、金屬磨光和涂料。每種應(yīng)用都有不同的水質(zhì)要求。處理后的產(chǎn)水進入反滲透。這里反滲透是來生產(chǎn)金屬磨光和涂料沖洗、包括鋅的磷化和電極沉積著漆的純水。

由于在1999年迫近的擴產(chǎn)和2001年計劃建一個新的汽車廠，通用汽車在1997年啟動了一個水管理項目（WMP），這個項目包括：1）鉆新的井 2）節(jié)水 3）改進水處理系統(tǒng)4)改進廢水處理系統(tǒng)5)進行新水再利用。為了保證擴容所需要的足夠水源，公司決定執(zhí)行前4個計劃，延遲最后一個計劃。

在這里，主要涉及水處理系統(tǒng)的改進。要求系統(tǒng)升級的主目的是為工廠擴容保證充足和連續(xù)的水源。另外，處理系統(tǒng)長期的可靠性、可維護性和可運行性被看作是最重要的。因此，這個項目的目的是用這些節(jié)水工藝去除硬度和硅。節(jié)水的好處是使產(chǎn)生的廢水減少。

背景

地下水的特點是有部分鈣鎂硬度，鈣濃度是67mg/lCaCO3，總硬度112mg/lCaCO3，總碳酸鹽堿度275mg/lCaCO3。其它無機成分有鈉離子、氯離子和硫酸根，電導(dǎo)率大約450us/cm。

地下水中也包括溶解性硅大約40mg/l，由于硅可以導(dǎo)致補水管、加工工藝、加濕系統(tǒng)和開放式冷卻塔系統(tǒng)結(jié)垢，所以它也是汽車裝配廠的一個難題。而且，清洗水中的硅必須完全被去除，以避免在金屬表面或汽車表面鍍漆中出現(xiàn)。

最初的水處理工藝（一段石灰軟化）如圖1，石灰被加到兩個澄清反應(yīng)池中，軟化系統(tǒng)在PH=10下運行。澄清反應(yīng)池的出水被過濾、消毒后貯存在貯存罐中。澄清反應(yīng)中產(chǎn)生的污泥用泵打到污泥貯存罐，再經(jīng)板框壓濾機脫水。

大部分水進入反滲透、冷卻塔和空氣加濕系統(tǒng)管道。為了保證設(shè)備用水中的硅濃度在要求的范圍，下面兩點是要求的：1）高的排放率（例如冷卻塔和加濕系統(tǒng)少循環(huán)），2）RO系統(tǒng)的低回收率，這導(dǎo)致水耗的增加和廢水排放的增多。

方法

為了改善供水的水質(zhì)，通用汽車認為需要二段軟化系統(tǒng)。這個項目按下面三個步驟進行：

1） 概念設(shè)計

2） 具體的工程和建設(shè)

3） 調(diào)試和連續(xù)運行

在概念設(shè)計階段，處理的可行性測試被執(zhí)行去評估：1）添加的藥劑種類和劑量 2）最佳的PH值 3）在軟化工藝后加第二段或再碳酸化的好處。可處理性測試在Silao現(xiàn)場用廣口瓶測試方法進行。從廣口瓶測試方法得出數(shù)據(jù)來分析選擇軟化工藝、準(zhǔn)備工廠的水平衡、得到設(shè)備設(shè)計準(zhǔn)則。選擇第二段固液分離設(shè)備是一個重要的工作。所以將傳統(tǒng)的澄清過濾和錯流微濾進行了對比。

第二階段進行具體的工程和建設(shè)，這個過程的工作在14個月內(nèi)被完成，包括具體的設(shè)計圖紙準(zhǔn)備、設(shè)備采購和處理設(shè)施的建設(shè)。軟化工藝一個非常重要工作是二段固液分離設(shè)備的采購。在這里，用的是USFILTER旗下的Memtek的微濾系統(tǒng)，于1999年8月完成了安裝和建設(shè)。

第三階段是調(diào)試和連續(xù)運行階段，升級后的水處理系統(tǒng)在完成建設(shè)后投入運行，本報告中的數(shù)據(jù)是從2000年1月到2001年6月的。結(jié)果包含了所有三個階段收集的數(shù)據(jù)

概念設(shè)計

這個項目首先的任務(wù)是執(zhí)行可處理性測試，

1）確定沉淀的最佳PH范圍; 2）對比一段軟化和二段軟化對硬度的軟化; 3）確定兩種鎂鹽對硅的去除效率。

PH的影響——首先用可處理性測試確定Ca和Mg沉淀的PH值，描述PH值影響的圖見圖2，描述了鎂在PH值11-11.5時溶解度最小，鈣在PH值10-10.5時溶解度最小。因此，為了把鈣和鎂都去除，選擇了二段軟化工藝。

一段和二段處理工藝對比——二段軟化工藝被測試。在第一階段，PH被升到11.5，固體沉降。水溢流后，用碳酸將PH值降至10。二段處理和一段處理對比見表1。二段工藝產(chǎn)水硬度為8mg/l，而一段工藝硬度為56mg/l。因此，兩段軟化工藝對硬度的去除遠好于一段軟化。

硅的去除——除了去除水中的硬度外，還必須去除硅。以前的研究已經(jīng)顯示加入鎂鹽可以提高對硅的去除。兩個基本的去硅機理是：1）生成堿式硅酸鎂的沉淀2）被Mg(OH)2固體吸附。因為鎂對硬度有貢獻，所以需在堿性條件下將鎂沉淀下來。用一系列測試對比了用MgO和MgCl2去除硅的有效性。在這些測試中，鎂鹽粉末被加入，和原水反應(yīng)1小時。當(dāng)反應(yīng)完成后，加入Ca(OH)2調(diào)到所要的PH值。基于圖3中的結(jié)果，MgO的效果比MgCl2好。可能的原因是在1小時的反應(yīng)過程中，MgO溶液在高PH值，所以對硅的去除更好。

反應(yīng)的順序——在這個測試中，評估了三種方法，第一個方法是加MgO反應(yīng)1小時，加石灰反應(yīng)20分鐘，然后沉降。第二個方法是加入石灰反應(yīng)20分鐘，然后加入MgO反應(yīng)20分鐘，然后沉降。第三種是同時加入MgO和石灰，反應(yīng)20分鐘后沉降。MgO以5%泥漿加入，鎂和硅的摩爾比是1:1。Ca(OH)2以5%的泥漿加入到廣 口瓶中直至PH到11.5。表2的數(shù)據(jù)顯示了首先加石灰，再加MgO是有利的。當(dāng)石灰首先加入時，PH提到11.2后再加MgO泥漿。高的PH值對鎂鹽去除硅是有利的。

鎂的劑量——最后測試考察了MgO的劑量和PH對硅的去除的影響。圖4的數(shù)據(jù)顯示了最終PH=11.5時比PH=11時去除硅稍好一些。通用汽車希望最終硅的濃度小于10mg/l，使反滲透在高回收率情況下能運行，加濕系統(tǒng)和開放式冷卻塔系統(tǒng)在合理周期下運行。這將幫助墨西哥的干旱地區(qū)節(jié)水。為了使硅的濃度小于10mg/l，對于硅濃度為26mg/l的原水，至少加入MgO大約50mg/l。

工藝發(fā)展——由于減少了使用純水系統(tǒng)，在概念設(shè)計階段執(zhí)行的物料平衡顯示了二段軟化系統(tǒng)將減少水耗10-20%（例如反滲透系統(tǒng)回收率提高了），加濕系統(tǒng)的補水減少了（例如循環(huán)系統(tǒng)高的循環(huán)周期）。

微濾工藝的選擇——二段軟化的固液分離設(shè)備的選擇分析被執(zhí)行了。將傳統(tǒng)的分離設(shè)備（澄清和過濾）和微濾進行了對比。微濾是施加在微孔膜表面的壓力驅(qū)動使液體和固體分離的過濾工藝（Exhibit 1）。Silao工廠考慮的是用錯流過濾型的。在這個工藝中，化學(xué)預(yù)處理后（再碳酸化）的固體和液體進入濃水罐中后被泵連續(xù)打到膜表面，形成一個高速的剪切速度（Exhibit 2）。液體的壓力驅(qū)使一定干凈水通過膜孔，而比膜平均孔徑大的顆粒污染物被攔截隨濃水回到濃水罐。這個剪切作用和周期性的壓縮空氣施加水的反洗，阻止了污染物在膜表面的積累。

隨著時間的推移，固體將在膜表面積累，限制流速，流速減少至干凈膜的30-40%，微濾關(guān)機隔離后，用NaClO清洗膜。通用汽車選擇微濾工藝來作為二段處理的固液分離設(shè)備，因為：1）它產(chǎn)生了高質(zhì)量的產(chǎn)水水質(zhì)，使反滲透的回收率提高。2）它要求小的空間。3）比傳統(tǒng)的多介質(zhì)過濾器要求的反洗水少。通用汽車在Ramos Arizpe complex用的一個微濾系統(tǒng)顯示了一個大約16.3m3/d/m2（400gpd/ft2）的通量。

流程圖——概念設(shè)計階段產(chǎn)生的流程圖（Exhibit 3）如下：地下水被泵打到原水貯存罐中（它貯存工藝用水和消防用水）。從貯存罐中，地下水被泵打到分流盒中，分別進入兩個澄清池。其中一個單元僅一段石灰軟化，因為這部分是作為飲用水和部分生產(chǎn)用水。

另外一個澄清池單元作為二段軟化工藝的第一段。石灰漿液被加到澄清池上游的快速攪拌池，接著加入一定的劑量石灰、MgO于水中，將硅沉淀下來。在澄清池中，沉淀到底部后定時被污泥泵打走，上清液溢流到再碳化池中。在再碳化池中，CO2被加入降低PH到10左右，使鈣生成Ca(OH)2沉淀去除。泥漿被微濾從水中分離，過濾后的出水進入過濾水貯存罐中，貯存罐中的水能再進入反滲透系統(tǒng)和作為空氣加濕系統(tǒng)的補給水。

建設(shè)

建設(shè)階段是將兩個單段處理系統(tǒng)中的一個轉(zhuǎn)變成一個兩段處理系統(tǒng)，需要變化的設(shè)備包括：1）MgO供給設(shè)備2）貯存罐、泵和CO2投加設(shè)備3）二段軟化工藝中固液分離的兩個微濾單元。其它的建設(shè)活動包括恢復(fù)澄清池以改善污泥排放、安裝一個大的石灰系統(tǒng)和擴大目前的壓濾機。

微濾系統(tǒng)由兩個相同的微濾單元組成。每個單元是11.6米（38英尺）長，5.2米寬（17英尺）和3.7米高（12英尺）。每個單元過濾面積是70平方米（754平方英尺），設(shè)計流速是9.9l/s（通量12.2m3/d/m2，300gpd/ft2），靠增加組件，每個單元能增加50%。

每個微濾單元包括1個濃水罐、1100gpm的循環(huán)泵一用一備、膜和儀表及控制。濃水罐接受來自再碳酸池的水和從微濾組件濃水端回來的含懸浮固體的濃水。靠調(diào)節(jié)排放流量，將固體濃度控制在2-5%（重量比）。

每個微濾單元再進一步分成兩組，每組36個組件，每個組件10個膜管。微濾膜的公稱孔徑是0.1um，由碳氟化合物材料加工而成。因此，微濾在正常運行和清洗過程中適用的范圍是很寬的。微濾系統(tǒng)能忍受NaClO（<15%）或HCl（<10%）的清洗。化學(xué)清洗時，它們必須隔斷運行。

每個微濾單元都有一個380VAC/50HZ下250A的電力要求。每18-30分鐘（可以調(diào)整），用工廠氣壓產(chǎn)水反洗1次。微濾的產(chǎn)水作為反滲透的進水和加濕系統(tǒng)的補水。RO產(chǎn)水主要用作電泳漆沉積工藝和鋅磷化工藝。因為RO進水只含極少量的硅、鈣和鎂，所以RO系統(tǒng)的回收率可以大于80%，并且如果再增加一段軟化工藝還可以提高。

運行

通用汽車運行二段軟化工藝兩年了。系統(tǒng)最近的數(shù)據(jù)如表3，過去12個月的鈣、鎂和硅的數(shù)據(jù)如表3。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)去除相關(guān)成分是非常有效的。

第一段軟化工藝產(chǎn)生的污泥和微濾系統(tǒng)的濃水罐排放的污泥在脫水之前打到一個污泥貯存罐中，再從這個貯存罐打到板框壓濾機脫水。脫水后的污泥含固率大約為70%，被運到垃圾填埋場處置。

討論

微濾作為二段軟化工藝中第二段固液分離設(shè)備的系統(tǒng)滿負荷運轉(zhuǎn)情況和可處理性測試以及與Memtek代表的討論是一致的。

在調(diào)試期間，微濾系統(tǒng)經(jīng)歷了低通量和高產(chǎn)水濁度的階段。經(jīng)過研究主要是因為進水罐中的溶液太稀。在進水罐中，TSS濃度應(yīng)該最少為2%。由于頻繁地分析進水罐的TSS濃度太耗時，通用汽車收集數(shù)據(jù)后使可沉淀的固體和系統(tǒng)需要保持的TSS濃度相關(guān)聯(lián)，這個關(guān)聯(lián)（如圖5）允許操作人員進行可沉降固體試驗來維持最小TSS濃度。

1個兩個月的微濾通量的圖表如圖6，這個圖顯示了最初通量大約24.4m3/d/m2（600gpd/ft2），接著的4個星期通量下降至大約10.2m3/d/m2（250gpd/ft2）。微濾單元在8月17日隔離開來進行清洗。清洗后，微濾單元又重新投入運行，膜通量大約16.3m3/d/m2（400gpd/ft2）。運行了3個星期后，膜通量下降到大約8.2m3/d/m2（200gpd/ft2）。系統(tǒng)在9月6日被清洗后，由于該次清洗是不完全的，通量僅增至14.3m3/d/m2（350gpd/ft2），所以9月15日又進行了清洗。根據(jù)工廠2年的經(jīng)驗知道頻率應(yīng)該是每2-4周清洗一次，先用NaClO去除細菌，再用HCl清洗垢。

無論通量如何，微濾單元的產(chǎn)水水質(zhì)都很好。2000年6月的通量和濁度如圖7，這個圖顯示了在10-30m3/d/m2（250-750gpd/ft2）的通量下出水水質(zhì)都很好。

結(jié)論

這個用微濾技術(shù)作為二段軟化工藝中第二段的固液分離的設(shè)備的系統(tǒng)已經(jīng)運轉(zhuǎn)了大約2年，工藝產(chǎn)生了硬度小于30mg/l，硅小于10mg/l的高質(zhì)量水源，處理后的濁度平均大約0.3NTU，二段系統(tǒng)良好的出水水質(zhì)減少了加濕系統(tǒng)的排放量，使反滲透的回收率從安裝二段軟化系統(tǒng)前的67%增加到安裝后的82%，工藝設(shè)備低的耗水量允許通用汽車減少抽取井水。通用汽車用水量已經(jīng)減少了約20%。

目前，Silao工廠正在考慮回用它們處理后的廢水，整個水平衡顯示了用二段軟化工藝處理所有的井水都是經(jīng)濟的。一些規(guī)定正被制定去完成這個轉(zhuǎn)變。