雙級(jí)反滲透系統(tǒng)在煤化工高鹽廢水處理中的應(yīng)用

姜春東，王曉偉，張婷婷

（1.中工沃特爾水技術(shù)股份有限公司，北京100082；2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001）

某煤化工企業(yè)以煤作為生產(chǎn)原料，通過(guò)煤氣化工藝的合成氣制甲醇，甲醇再制成烯烴。在其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的化工生產(chǎn)廢水，這些廢水經(jīng)過(guò)廠區(qū)深度處理后，會(huì)產(chǎn)生大量的高鹽廢水。而煤化工企業(yè)周圍的生態(tài)環(huán)境往往比較脆弱，并且企業(yè)往往建在水資源短缺的地方。此部分高鹽廢水若直接排放，將對(duì)企業(yè)周邊環(huán)境造成極大的污染和破壞〔1-2〕。因此考慮使用反滲透技術(shù)對(duì)本部分廢水進(jìn)行處理，同時(shí)回用其中大部分水資源〔3〕。由于進(jìn)水電導(dǎo)率較高，本研究采用雙級(jí)反滲透系統(tǒng)，在使產(chǎn)品水達(dá)到回用水水質(zhì)要求的同時(shí)，濃水可以進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進(jìn)一步處理，不僅滿足了企業(yè)的用水要求及環(huán)保要求，還實(shí)現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 進(jìn)水水質(zhì)及處理要求

本項(xiàng)目的高鹽廢水來(lái)源于上游回用裝置產(chǎn)生的反滲透濃水，水量100 m3/h，進(jìn)水pH 7～9、電導(dǎo)率50 000～65 000 μS/cm、硬度 1 000 mg/L、Cl-12 000 mg/L，可以看出：（1）電導(dǎo)率高，且波動(dòng)范圍較大，高濃度的氯離子對(duì)金屬設(shè)備具有較強(qiáng)的腐蝕性。（2）硬度較高，易在膜表面產(chǎn)生無(wú)機(jī)鹽垢，影響系統(tǒng)的運(yùn)行。本項(xiàng)目要求廢水最終產(chǎn)品水的電導(dǎo)率≤500 μS/cm，濃水電導(dǎo)率＞100 000 μS/cm。

2 工藝選擇及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)進(jìn)水水質(zhì)特征及處理要求，本項(xiàng)目采用雙級(jí)反滲透系統(tǒng)進(jìn)行減量處理，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程

高鹽廢水的硬度較高，而無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢對(duì)反滲透系統(tǒng)的影響很大，若不加以去除將造成反滲透膜嚴(yán)重污堵〔4〕。所以，需先對(duì)高鹽廢水進(jìn)行軟化處理，選用石灰純堿軟化法用于去除水中的硬度，石灰、純堿與水中的鈣、鎂反應(yīng)生成碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀〔5〕，產(chǎn)生的污泥定時(shí)排出系統(tǒng)外。反滲透進(jìn)水一般要求SDI≤5，而高鹽廢水經(jīng)過(guò)軟化澄清后，上清液中仍有部分的懸浮物顆粒，所以需要對(duì)澄清池出水進(jìn)一步處理，從而保證反滲透的正常運(yùn)行，本項(xiàng)目采用機(jī)械過(guò)濾器對(duì)澄清池產(chǎn)水進(jìn)一步處理。為了保證進(jìn)入反滲透的水的硬度達(dá)標(biāo)，本項(xiàng)目設(shè)置離子交換系統(tǒng)，進(jìn)一步去除高鹽廢水殘留的硬度。通過(guò)換熱器調(diào)整進(jìn)水溫度穩(wěn)定在25～30℃，滿足反滲透系統(tǒng)進(jìn)水水溫的要求。在進(jìn)入一級(jí)反滲透裝置前，需要投加還原劑（亞硫酸氫鈉）和阻垢劑（含磷小分子），還原劑的作用是控制反滲透進(jìn)水的余氯低于0.1 mg/L，保證反滲透膜不被氧化；阻垢劑的作用是保證反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行不結(jié)垢，確保反滲透系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行〔6〕。為達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)水水質(zhì)要求，一級(jí)反滲透濃水作為系統(tǒng)濃水去蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進(jìn)一步處理，一級(jí)反滲透產(chǎn)水需要進(jìn)入二級(jí)反滲透裝置進(jìn)一步處理，二級(jí)反滲透裝置濃水回RO給水箱。

雙級(jí)反滲透系統(tǒng)的設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 雙級(jí)反滲透設(shè)備

3 系統(tǒng)運(yùn)行情況

本項(xiàng)目高鹽廢水經(jīng)前面預(yù)處理后，進(jìn)入雙級(jí)反滲透系統(tǒng)的水溫度 30 ℃、pH 9～10、硬度＜10 mg/L、濁度＜1 NTU、Fe、Al均未檢出。

3.1 系統(tǒng)脫鹽率及產(chǎn)水水質(zhì)

在雙級(jí)反滲透運(yùn)行期間，系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)良好，各項(xiàng)產(chǎn)水水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)水作為廠區(qū)循環(huán)水補(bǔ)水進(jìn)行回用。其中，一級(jí)反滲透裝置回收率約50%時(shí)，其脫鹽率基本維持在97.5%以上；二級(jí)反滲透裝置回收率約92%時(shí)，其脫鹽率基本維持在82%以上，監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖2。

圖2 雙級(jí)反滲透系統(tǒng)脫鹽率變化情況

由圖2可以看出，一級(jí)RO的脫鹽率隨運(yùn)行時(shí)間的增加略有下降。這一方面是由于進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)及運(yùn)行控制造成的；另一方面是膜元件的局部損壞造成的，在日常監(jiān)測(cè)過(guò)程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有幾只膜殼產(chǎn)水電導(dǎo)率異常升高，應(yīng)是保安過(guò)濾器泄漏造成的膜元件損傷。

雙級(jí)反滲透的產(chǎn)水電導(dǎo)率基本維持在200 μS/cm以下，監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率變化情況

由圖2、圖3可以看出，二級(jí)反滲透相對(duì)于一級(jí)反滲透裝置的整體脫鹽率下降較小，系統(tǒng)的產(chǎn)水電導(dǎo)率基本可以維持在200 μS/cm以下，說(shuō)明本項(xiàng)目采用雙級(jí)反滲透系統(tǒng)處理高鹽廢水可以保證系統(tǒng)產(chǎn)水的總體穩(wěn)定性。運(yùn)行時(shí)二級(jí)反滲透濃水電導(dǎo)率在10 000～12 000 μS/cm，相較于一級(jí)RO進(jìn)水電導(dǎo)率低很多，回流后對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響較小。

3.2 系統(tǒng)濃水水質(zhì)及壓強(qiáng)

在雙級(jí)反滲透運(yùn)行期間，一級(jí)反滲透系統(tǒng)壓強(qiáng)在6.8～7.2 MPa，系統(tǒng)濃水的電導(dǎo)率較穩(wěn)定，基本維持在100 000 μS/cm以上，系統(tǒng)產(chǎn)水滿足系統(tǒng)處理要求，實(shí)現(xiàn)了高鹽廢水處理系統(tǒng)濃縮和回用的要求，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)濃水電導(dǎo)率及系統(tǒng)壓強(qiáng)變化情況

由圖4可以看出，系統(tǒng)壓強(qiáng)總體不斷變化，這是由于隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，系統(tǒng)內(nèi)積聚的污染物質(zhì)增多導(dǎo)致，通過(guò)化學(xué)清洗后，系統(tǒng)壓強(qiáng)會(huì)隨之降低。在實(shí)際過(guò)程中也應(yīng)保證前處理的穩(wěn)定，以免膜元件受到污染。

3.3 系統(tǒng)清洗情況

在正常運(yùn)行期間，反滲透膜元件會(huì)受到微生物、膠體顆粒和不溶性有機(jī)物質(zhì)的污染。運(yùn)行過(guò)程中這些污染物沉積在膜表面，導(dǎo)致進(jìn)水和濃水間的壓差上升，當(dāng)上升超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，需要對(duì)膜元件進(jìn)行清洗〔7〕。清洗時(shí)需要針對(duì)上述污染物選擇合適的清洗藥劑，本項(xiàng)目采用酸性清洗藥劑和堿性清洗藥劑對(duì)反滲透膜元件進(jìn)行清洗，并根據(jù)實(shí)際污染情況對(duì)反滲透裝置進(jìn)行離線循環(huán)及浸泡，并隨時(shí)觀察清洗液的情況，直至達(dá)到清洗要求。首先，以較低流量的清洗液置換系統(tǒng)內(nèi)的原水，待完成后，恒定清洗液溫度在30℃，以較低流量在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，循環(huán)1 h后，浸泡1 h。其次，再以較高流量的清洗液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)1 h，沖洗清洗下來(lái)的污染物。最后，用合格的產(chǎn)品水沖洗系統(tǒng)內(nèi)的清洗液，備用。其中，酸性清洗藥劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的鹽酸；堿性清洗藥劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的NaOH和0.02%的硅酸鈉?；瘜W(xué)清洗完后用RO產(chǎn)水進(jìn)行沖洗，至清洗液完全被沖洗出為止。

3.4 運(yùn)行能耗

對(duì)雙級(jí)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行電能、藥劑消耗進(jìn)行核算，其中用電消耗是運(yùn)行能耗中的主要部分，藥劑消耗主要是還原劑和阻垢劑，均按3 mg/L投加進(jìn)行核算；還原劑按1元/kg、阻垢劑按26元/kg、電費(fèi)按0.5元/（kW·h）核算時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用約在1.8元/t。

4 結(jié)論

通過(guò)雙級(jí)反滲透系統(tǒng)在煤化工高鹽廢水處理中的成功應(yīng)用，可以看出雙級(jí)反滲透系統(tǒng)不但可以使系統(tǒng)產(chǎn)水達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且可以很好地保證高鹽水處理系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)的穩(wěn)定性，更加有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)水的循環(huán)復(fù)用，為企業(yè)節(jié)省更多水資源。雙級(jí)反滲透系統(tǒng)作為高鹽廢水處理中的濃縮回用單元，其穩(wěn)定的濃水指標(biāo)對(duì)全廠的水處理系統(tǒng)起到重要作用，是實(shí)現(xiàn)全廠廢水處理要求，乃至到達(dá)零排放要求的重要環(huán)節(jié)，為企業(yè)的環(huán)保需求做出了貢獻(xiàn)。