《“十四五”工业绿色发展规划》要求有色金属行业提高废水资源化循环利用率，废水中主要污染物排放强度降低10%，单位工业增加值用水量降低16%，而制约有色金属行业废水资源化的主要污染物是总溶解性固体（TDS）和氯化物，传统方法无法有效处理，若废水外排势必造成环境污染和资源浪费。《铅锌冶炼废水治理工程技术规范》（HJ2057—2018）指出，铅锌冶炼废水主要污染物为酸、重金属、悬浮物等，常规处理方法多采用石灰（石）中和。然而，石灰中和法易导致出水盐度和钙离子浓度显著升高，不仅制约铅锌冶炼废水的资源化回用，还会引发设备结垢腐蚀，存在潜在安全隐患。

有报道指出，铅锌冶炼废水资源化可采用“预处理+膜浓缩+蒸发结晶”工艺，且提高废水膜浓缩倍数可降低后续工序的投资规模和运行成本。目前对工业废水零排放或资源化研究较多，但膜高倍浓缩过程存在的问题及工艺改造实例鲜有报道。本研究以西南地区某锌冶炼废水反渗透高倍浓缩工程为例，指出原反渗透浓缩方案存在的问题，提出工程改造方案以供借鉴。

1、工程概况

1.1 工程概况

某锌冶炼厂采用浸出-净化-电积-熔铸的湿法提锌工艺，经多阶段改扩建后，形成12万t/a的电锌生产规模，同时伴随烟气制酸。回收镉、铅、锗、铟等副产品。厂区废水处理站分为生产污水处理系统、深度处理系统。生产污水处理系统采用“两段石灰中和+石灰铁盐，辅以CO2+NaOH脱钙软化工艺”，出水部分回用，余下进入深度处理系统。深度处理系统采用“纳滤+树脂软化+两级RO工艺”，产水回用，浓水冲渣消耗。目前深度处理系统运行不畅，产水率低，仅为30%，部分设施无法开机，经分析引起这些问题的主要原因有以下几个方面：

1）工艺路线选择不合理，水资源回收率低。一般而言，纳滤装置主要作用是分离一、二价离子，与本工程深度处理浓水减量的关键目标不相符。另外，纳滤浓水回流造成RO进水盐分累积，偏离RO装置设计参数。

2）超滤设备选型与参数设计不当。现场超滤设备为内压式，膜丝材料脆，不适用污水深度处理，污水回收率不足90%，膜丝在反洗时易出现空气摩擦断丝。

3）反渗透设备选型与参数设计不当。一级RO装置选用BW苦咸水膜，不适合设计工况，一级RO高压泵184m的扬程偏低，无法满足进水压力要求。

4）软化装置树脂选型不当。普通钠型阳离子树脂，易受到高TDS废水污染并“中毒”，失去交换容量。

针对上述问题对原污水处理系统进行改造，设计处理水量为720m3/d，浓水量≤120m3/d，产水执行《工业循环冷却水处理设计规范》（GB/T50050—2017）表6.1.3限值，全部回用为循环水系统补充水。为满足现场节水要求，改造后系统采用两级RO工艺以提高产水水质，实现污水资源化回用。

1.2 进出水水质

本改造工程的主要进、出水水质指标见表1。

2、工程改造

2.1 改造思路

基于废水水质特征，本次工程改造主要目的为控制浓水量和保证出水水质达标，并尽可能地利用现有设施，具体改造思路如下：

1）提高水回收率，控制浓水量≤120m3/d。拆除纳滤工序；更换一级RO膜，选择SW海淡膜，并提高进水压力至3.8MPa；增加碟管式反渗透（DTRO）对一级RO浓水进一步浓缩减量（DTRO适用于有机污染物富集、卷式RO无法进一步浓缩的废水），控制浓水产率≤15%，产水率≥68%，膜系统的废水返回率≤17%。

2）更换超滤装置，以适应污水工况，保证超滤装置的正常运行。选用材质为PVDF的外压式超滤膜，其具有抗污染强、运行稳定的优点。

3）选用螯合树脂交换柱，提高脱钙软化效果，控制树脂产水Ca2+≤10mg/L。深度处理系统进水Ca2+质量浓度40mg/L，若直接进入RO浓缩，浓水Ca2+质量浓度将高达160mg/L，极易结垢，造成RO膜污堵。因此，选用螯合树脂交换柱将RO进水Ca2+控制在≤10mg/L。

2.2 工艺流程

针对原系统存在的问题和处理要求，改造工程采用“中、高压反渗透浓缩减量+低压反渗透脱盐淡化”的处理工艺，反渗透浓缩减量装置主要包含多介质过滤器+超滤+螯合树脂+中压（一级）RO装置+高压DTRO装置；脱盐淡化装置主要包括低压（二级）RO装置，具体工艺流程如图1所示。

深度处理系统进水依次经多介质过滤器、超滤装置过滤，产水进入超滤产水箱，超滤产水经树脂软化，存于树脂产水箱，树脂产水经泵加压进入一级RO装置浓缩，一级RO浓水经泵加压进入DTRO装置，DTRO浓水送淬渣消耗，完成废水的浓缩过程；一级RO产水、DTRO产水送至一级RO产水箱，进而通过水泵送入二级RO装置进一步脱盐，二级RO浓水返回树脂产水箱，产水用作生产水；多介质过滤器反洗水、超滤浓水、树脂废水排入废水收集池并返回生产污水处理系统，酸再生液单独收集至酸再生液收集池并返回生产污水处理系统中和段。

废水经超滤、树脂脱钙处理后，SDI≤3、浊度<0.5NTU、Ca2+质量浓度≤10mg/L，达到RO进水要求并显著改善膜浓缩侧的硫酸钙结垢问题，延长了膜的清洗周期，提高了系统的运行效率。

2.3 物料平衡计算

膜浓缩工艺设备选型前，需根据工艺流程对各工序物料（水量及盐）进行模拟计算，以期为设备选型提供数据支撑。本改造工程物料平衡计算见表2。

RO装置的产水量、水质受进水TDS影响，由表2可知，一级RO产水与DTRO产水混合后TDS为360mg/L，不满足回用水要求，因此增设低压RO装置对一级RO、DTRO产水脱盐淡化至TDS≤100mg/L，实现废水的回用。

3、主要构筑物及设备选型

根据进水水质特点和表2中各工序模拟计算的结果，结合存在的问题，进行设备选型。本改造工程主要设施包括多介质过滤器、超滤装置、树脂装置、反渗透装置、废水收集池等。

1）多介质过滤器，去除水中悬浮物。该设备为工程旧设施，填料过滤器3座，碳钢防腐。D×H=2.0m×3.6m，滤速6.5m/h。

2）超滤装置，截留水中胶体和大分子有机污染物等，使产水浊度<0.5NTU、SDI≤3。改造工程选用外压式超滤装置，采用错流过滤，2套，10支/套，膜元件材质为PVDF。每套设计流量为20m3/h，设计产水率（R）≥92%。

3）超滤产水箱，临时存储超滤装置的产水。碳钢防腐水箱1座。D×H=3.5m×5.5m，有效容积50m3，HRT=1h。

4）树脂软化装置，降低水中的总硬度至10mg/L以下。树脂软化器2台，利用原碳钢壳体，树脂更换为螯合树脂。D×H=14m×5m，每台软化器流量为50m³/h，滤速20m/h。

5）树脂产水箱，临时存储树脂软化产水。碳钢防腐水箱1座。D×H=3.5m×5.5m，有效容积50m³，HRT=1h。

6）一级RO装置，对废水进行初步浓缩。RO装置1套。采用SW30卷式海淡膜，36支/套，一级两段、段间增压，一段膜元件4×6、二段2×6，膜材质为芳香族聚酰胺，600psi膜壳；最大运行压力3.5MPa，设计产水率R≥68%，设计脱盐率≥98.5%。

7）一级RO产水箱、浓水箱，临时存储一级RO装置的产水、浓水。碳钢防腐水箱1座。D×H=3.5m×5.5m，有效容积50m3，HRT=1h。

8）DTRO装置，对一级RO浓水高倍浓缩减量。DTRO装置2套并联。采用BW30碟管式，30支/套，膜材质为芳香族聚酰胺，单支膜面积9.405m2；最大运行压力12MPa，设计脱盐率≥97%，设计产水率R≥55%。

9）DTRO浓水池，收集DTRO浓水，然后送水淬渣工序并冲渣消耗。该设施为原有钢筋混凝土水池1座，半地下式，有效容积5000m3，HRT=50d。

10）二级RO装置，对一级RO、DTRO产水深度脱盐淡化。二级RO装置1套。PURO-1卷式膜，36支/套，一级两段，一段膜元件4×6、二段2×6，膜材质为芳香族聚酰胺，300psi膜壳；最大运行压力1.2MPa，设计脱盐率≥98.5%，设计产水率R≥75%。

11）二级RO产水池，收集二级RO产水，回用于生产。该设施为工程利旧，钢筋混凝土水池1座，半地下式，L×B×H=6.3m×4.2m×4.2m，有效容积100m3，HRT=6h。

12）废水收集池，对多介质过滤器、超滤装置、膜清洗等深度处理车间排水进行临时存储，返回生产污水处理系统。该设施为工程利旧，钢筋混凝土水池1座，半地下式，L×B×H=6.3m×6m×4.2m，有效容积140m3，HRT=1d。

13）酸再生液收集池，单独收集酸再生废液，返回生产污水处理系统的中和段。该设施为工程利旧，钢筋混凝土水池1座，半地下式，L×B×H=6.3m×3m×4.2m，有效容积72m3，HRT=3d。

4、运行效果

本工程已于2022年底投入使用，运行稳定，产水水质见表3，并与出水标准作比较。

由表2、表3可知，系统外排浓水量≤120m3/d，浓水外排率≤15%，膜系统产水率≥68%，系统脱盐率≥98%，产水TDS低至26mg/L，优于标准限值，可直接作为循环水系统补充水回用于生产。

5、工程投资及运行成本

本改造工程建设投资：工程费用1085.96万元、其他建设费用114.98万元、预备费84.07万元，合计为1285.01万元。

运行成本：1）吨水电耗8.53kW·h，电价0.4元（/kW·h），则吨水电费3.41元；2）膜系统吨水药剂费1.03元；3）定员4人，工资72000元（/人·a），按330d运行，则吨水人工费1.21元；3）吨水修理及其他费用3.00元；4）废水资源化收益，回用水488m3/d，水价1.5元/m3，折合吨水收益1.02元。吨水运行成本为7.63元（扣减收益后）。本改造工程实现了废水资源化，产水用作循环水系统补充水，用以改善并轻质化全厂水平衡，或可作为化水站补水，降低化水站运行负荷，具有明显的环境和经济效益。

6、结语

1）采用“中、高压反渗透浓缩减量+低压反渗透脱盐淡化”的处理工艺可实现锌冶炼废水高倍浓缩，产水TDS26~37mg/L、总硬度（以CaCO3计）2~8mg/L、电导率34.8~78.2μS/cm，出水水质优于GB/T50050—2017标准限值，实现了废水资源化，系统浓水量小于120m3/d。

2）本改造工程针对原系统产水率低，出水水质不达标的问题，以各工序物料（水量及盐）的模拟计算为依据，进行工艺及设备改造，拆除纳滤装置、更换超滤设备及软化装置的树脂类型、重新选择反渗透设备型号，使系统脱盐率达到98%，产水率达到68%，外排水率低于15%，为锌冶炼废水反渗透膜高倍浓缩提供借鉴。

3）本改造工程的吨水运行成本为7.63元（扣减收益），实现了废水资源化，产水用作循环水系统补充水，用以改善并轻质化全厂水平衡，或可作为化水站补水，降低化水站运行负荷，具有明显的环境和经济效益。（来源：长沙有色冶金设计研究院有限公司，长沙华时捷环保科技发展股份有限公司）