煤化工廢水 “零排放”技術(shù)與制約性問題分析

文 / 李建軍

煤炭是中國主要的化石能源，新型煤化工產(chǎn)業(yè)因此得到快速發(fā)展。然而，煤化工產(chǎn)業(yè)耗水和排水量大，水資源短缺和環(huán)境污染問題限制了中國煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，“零排放”方案的提出具有重要的現(xiàn)實意義和歷史意義。

一、緒論

中國的石油、天然氣資源短缺，煤炭是中國的主要化石能源，這種能源結(jié)構(gòu)決定了新型煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，即以煤氣化為龍頭的煤化工產(chǎn)業(yè)，運用催化合成、分離、生物化工等先進的化工技術(shù)，生產(chǎn)能夠替代石油的潔凈能源和各類化工產(chǎn)品，進而滿足未來經(jīng)濟發(fā)展需求。

發(fā)展新型煤化工企業(yè)，煤和水是兩大資源要素，煤化工項目耗水量巨大，煤化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展已經(jīng)引發(fā)了區(qū)域水資源供需的失衡。同時中國煤炭資源和水資源分布極不均衡。水資源缺乏地區(qū)也面臨著地表水環(huán)境容量有限的問題，大量煤化工廢水面臨無處可排的困境。煤化工項目廢水產(chǎn)生量也很高。該類廢水含大量有機污染物。大量建設(shè)煤化工項目將會給富煤但缺水的地區(qū)帶來非常嚴重的社會問題。水資源和水環(huán)境問題已成為制約煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。為促進工業(yè)經(jīng)濟與水資源及環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，2007年頒布的《國家環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃》明確要求在煤炭等重點行業(yè)努力實現(xiàn)廢水少排放或零排放。既解決了一部分水資源短缺問題，又不對當?shù)氐沫h(huán)境和生態(tài)造成污染和破壞，對于在建和擬建的煤化工項目，具有極為重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。

目前，不少正在建設(shè)和規(guī)劃中的煤化工項目都計劃實施廢水“零排放”方案，但迄今中國尚無真正做到廢水零排放的煤化工企業(yè)，煤化工廢水零排放也存在著很多問題和技術(shù)難點，因此，對現(xiàn)有煤化工廢水“零排放”技術(shù)進行分析總結(jié)至關(guān)重要。

二、煤化工廢水分類和水質(zhì)特征

煤化工是以煤為原料，經(jīng)過化學加工，使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料以及化學品，并生產(chǎn)出各種化工產(chǎn)品的工業(yè)。不同學者對煤化工廢水的分類有一定區(qū)別，但一般可將現(xiàn)代煤化工企業(yè)廢水按照含鹽量分為兩類：一是有機廢水，主要包括氣化廢水、化工裝置廢水、地面沖洗水、初期雨水及生活污水等，其特點是含鹽量低；二是含鹽廢水，主要來源于生產(chǎn)過程中煤氣洗滌廢水、循環(huán)水系統(tǒng)排水、除鹽水系統(tǒng)排水、回用系統(tǒng)濃水等，有時也包括生化處理后的有機廢水，其特點是含鹽量高。

三、煤化工廢水“零排放”處理技術(shù)

中國已經(jīng)建成的煤化工廢水“零排放”設(shè)施的處理技術(shù)，基本分為有機廢水處理技術(shù)和含鹽廢水處理技術(shù)，而含鹽廢水處理技術(shù)又包括低鹽廢水處理技術(shù)、濃鹽水處理技術(shù)和高濃鹽水固化處理技術(shù)。其中，有機廢水處理基本上采用“預(yù)處理（物化處理）+生化處理+深度處理”的三段式處理工藝；低鹽廢水處理多采用“預(yù)處理+雙膜法”兩段式處理工藝；濃鹽水處理多采用“預(yù)處理+膜濃縮”處理工藝；高濃鹽水固化處理多采用自然蒸發(fā)固化或機械蒸發(fā)固化處理方式。

（一）有機廢水處理

煤氣化產(chǎn)生的廢水不經(jīng)過預(yù)處理直接進行生化處理是不可行的，尤其是氨和酚濃度很高的固定床工藝廢水。預(yù)處理主要目的是去除乳化油和懸浮物（SS）及膠態(tài)COD。對于魯奇氣化廢水，還要進行酚氨回收。

煤氣化廢水的生化處理可根據(jù)水質(zhì)及場地情況選擇A/O、A2/O、SBR、氧化溝、膜生物反應(yīng)器（MBR）等工藝。固定床工藝選用以去除CODCr、BOD5、氨氮等為主體的生化處理工藝（主要考慮硝化和反硝化），氣流床選用以物化為主的后處理強化工藝。流化床及氣流床工藝產(chǎn)生的廢水，應(yīng)選擇硝化和反硝化效果好的處理工藝。

煤氣化廢水的深度處理有機廢水采用上述處理工藝處理后，經(jīng)混凝沉淀，基本可以達到國家或地方排放標準，但距離作為循環(huán)補充水要求還有一定的差距，需進行深度處理。深度處理段常用工藝主要有臭氧氧化、化學氧化+曝氣生物濾池（BAF）+活性炭吸附等工藝。

（二）含鹽廢水處理

1.低鹽廢水處理

低鹽廢水處理普遍釆用的是“預(yù)處理+雙膜法”兩段式處理工藝（即超濾-反滲透）。生化處理出水和清凈廢水混合之后變成低鹽廢水，這種水去除鹽后可以作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補充水。目前除鹽方法很多，但隨著膜分離技術(shù)和膜生產(chǎn)工藝的提高，膜的使用壽命在不斷提高，應(yīng)用范圍越來越廣。預(yù)處理一般為絮凝沉淀和過濾工藝，主要是進一步去除水中的SS、膠體及COD，為雙膜進水提高保障。雙膜的主要功能是脫鹽，實現(xiàn)廢水的回收利用。

2.濃鹽水處理

雙膜法處理后的水可回用，作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補充水，但同時也產(chǎn)生濃鹽水，水量仍然較大，且含有一定量的有機污染物，若不進行處理，仍會對當?shù)丨h(huán)境造成巨大的污染。目前一般采用（預(yù)處理+膜濃縮）處理工藝，將濃鹽水進行進一步濃縮，使TDS（總含鹽量）質(zhì)量濃度達到50000-80000mg/L，盡可能將廢水中鹽分提高，減小后續(xù)蒸發(fā)器的規(guī)模，同時減少投資以及節(jié)約能源。

3.高濃鹽水處理

高濃鹽水固化處理是廢水“零排放”方案應(yīng)用和普及的瓶頸，也是當前存在爭論最多的地方。含鹽廢水處理后產(chǎn)生的濃液，也稱為高鹽廢水，含鹽量通常高達20%（質(zhì)量分數(shù)）以上。目前，國內(nèi)外對高濃鹽水的處理一般采用自然蒸發(fā)固化和機械蒸發(fā)固化兩種處理方式。其中機械蒸發(fā)是利用蒸汽實現(xiàn)鹽的結(jié)晶。自然蒸發(fā)固化是利用太陽能，在自然條件下將高濃鹽水逐漸蒸發(fā)，實現(xiàn)鹽的結(jié)晶。經(jīng)蒸發(fā)固化處理后的結(jié)晶固體，組分復雜，有害物質(zhì)濃度高，需作為危險固體廢棄物進行處理，不能和鍋爐灰渣、氣化灰渣等一起混埋。

四、煤化工廢水“零排放”的制約性問題及解決思路

煤化工廢水“零排放”技術(shù)在實際工程實踐中存在諸多難點。目前中國尚未有一家煤化工企業(yè)真正實現(xiàn)廢水“零排放”，煤化工廢水零排放技術(shù)的研究和應(yīng)用在中國處于起步階段，在技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境影響等方面均存在問題。

（一）技術(shù)層面

1.存在問題

煤化工廢水零排放的主要技術(shù)難點在于煤化工氣化工藝有機廢水處理和含鹽廢水處理兩個方面。有機廢水的主要技術(shù)問題是氣化廢水水質(zhì)波動大，影響生化處理流程。進而影響后續(xù)膜處理效果，最終導致“零排放”目標難以實現(xiàn)。含鹽廢水處理的核心問題是雙膜系統(tǒng)反滲透問題、膜濃縮和蒸發(fā)器的污堵和腐蝕性問題。雙膜系統(tǒng)中采用的反滲透方法可能導致水質(zhì)特征不明晰，或者造成反滲透膜污染嚴重，脫硅難問題。此外，“零排放”目標受到膜濃縮和蒸發(fā)器技術(shù)的限制，這種技術(shù)大部分尚處于設(shè)計、建設(shè)階段，目前有少數(shù)已建設(shè)完畢，均未真正投入運行。膜濃縮和蒸發(fā)器技術(shù)的限制問題包括有機污染物在膜濃縮中形成污堵，使膜壽命縮短，清洗頻繁從而使膜濃縮系統(tǒng)崩潰；廢水的硬度會在膜濃縮中升高，易結(jié)晶，并在膜濃縮過程中結(jié)垢，從而使膜失去濃縮能力；由于硬度會進一步升高，在蒸發(fā)器內(nèi)極易形成結(jié)垢，從而使蒸發(fā)器失去應(yīng)有的蒸發(fā)功能等，以上這些技術(shù)問題都亟需解決。

2.解決思路

首先是針對有機廢水水質(zhì)波動大的問題，須增加對廢水中有毒、有味（易揮發(fā)）、有色、難降解的物質(zhì)的定性、定量分析。只有明晰各段水質(zhì)特征，才能有針對性地開發(fā)處理工藝。對含鹽廢水及濃液的處理應(yīng)從源頭入手，綜合考慮整個系統(tǒng)的鹽平衡，對廢水處理過程中需要投加藥劑的各個環(huán)節(jié)進行工藝和藥劑的比選優(yōu)化，最大限度地減少水系統(tǒng)添加的鹽量，降低末端治理的壓力，同時研究反滲透濃水中硅的水化學機理，開發(fā)高效的同步脫鈣、鎂、硅技術(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有反滲透工藝。解決硅對反滲透膜污染嚴重且脫硅難的關(guān)鍵問題。總之，相關(guān)部門和企業(yè)應(yīng)從環(huán)保角度評估各種煤氣化技術(shù)的優(yōu)劣，選擇可行的節(jié)水和廢水處理工藝技術(shù)，制定相關(guān)技術(shù)指南與工程規(guī)范，針對目前廢水零排放的技術(shù)工程難點，加大技術(shù)投入，推動中國廢水零排放技術(shù)的發(fā)展。

（二）經(jīng)濟層面

1.存在問題

煤化工項目通常投資很大，要實現(xiàn)煤化工廢水“零排放”，需要投入大量資金。例如，含鹽廢水處理過程中，廢水的成分復雜，特別是氯離子含量很高，對蒸發(fā)器的腐蝕性很強，需要使用強耐腐蝕材料，因而投資很高。此外，廢水“零排放”過程產(chǎn)生的結(jié)晶固體，需作為危險固廢進行安全填埋處理，處理成本較高，含鹽廢水直接運行成本通常是有機廢水處理成本的幾倍。高運行成本也是當前制約煤化工廢水“零排放”應(yīng)用和普及的重要因素。

2.解決思路

實現(xiàn)廢水“零排放”的經(jīng)濟代價是巨大的。廢水零排放是以較多的能源消耗換取污染物的減排，因此，在解決水環(huán)境污染的同時，一定要綜合考慮由此帶來的高能耗和高投資運行成本問題，不要盲目地全部采用“零排放”。應(yīng)根據(jù)項目所在地水資源、水環(huán)境容量、能源、自然條件等客觀條件綜合確定是否需要實施廢水“零排放”方案。另一方面，國家應(yīng)盡快大幅提高水資源和廢水排放收費標準，倒逼企業(yè)。對于適合廢水“零排放”的企業(yè)，實施政策鼓勵措施。使廢水處理與回用變?yōu)樽杂X行動，減少廢水排放。

（三）環(huán)境層面

1.存在問題

煤化工廢水“零排放”方案還存在著巨大的環(huán)境問題，例如在含鹽廢水處理過程中，通過自然蒸發(fā)或機械蒸發(fā)的方式，得到結(jié)晶鹽，以固體的形式輸出，這其實是把污染物從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)，并不能徹底消滅污染物。如果處置不當，結(jié)晶鹽中的可溶性鹽類、有機物在雨水淋溶作用下會造成二次污染。同時由于實施“零排放”方案，企業(yè)無廢水排放口，這部分廢水只能在廠內(nèi)長時間貯存。由于廢水量較大，很容易污染當?shù)氐叵滤h(huán)境。政府和企業(yè)一定要做好“零排放”方案，不能顧此失彼，反而造成更大的環(huán)境污染。

2.解決思路

做好“零排放”方案，應(yīng)立足于不惡化地表水體質(zhì)量、不污染地下水，將污染限制在可控范圍內(nèi)。綜合觀之，在水資源豐富的南方地區(qū)不宜倡導零排放，北方地區(qū)也應(yīng)因地制宜，區(qū)別對待。如果有納污水體，應(yīng)盡可能利用自然水體，不宜硬性要求“零排放”，在確實沒有納污水體地區(qū)，應(yīng)該以保護地下水為前提，優(yōu)先選用能耗、物耗較低的處置方式。合理實施“零排放”方案，達到最優(yōu)環(huán)境效益。

五、結(jié)論

煤化工廢水“零排放”技術(shù)的研究與應(yīng)用在中國處于起步階段，存在技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境層面上的一系列問題。因此，在煤化工廢水“零排放”項目中，需要重點考慮和解決的問題主要有膜濃縮和蒸發(fā)皿等技術(shù)問題、“零排放”項目中的高成本問題及其帶來的環(huán)境問題，筆者認為從技術(shù)層面應(yīng)明晰水質(zhì)特征，減少鹽的添加，開發(fā)有效的脫硅技術(shù)，加大技術(shù)投入；從經(jīng)濟層面應(yīng)考慮高能耗和高投資運行成本問題，明確企業(yè)是否適合實施廢水“零排放”方案，應(yīng)盡快大幅提高水資源和廢水排放收費標準；從環(huán)境層面應(yīng)立足于將污染限制在可控范圍內(nèi)，合理實施“零排放”方案，因地制宜，區(qū)別對待，達到最優(yōu)環(huán)境效益。