煤化工廢水零排放系統(tǒng)反滲透問題分析與優(yōu)化

朱宏凱 李遠(yuǎn) 宋克勇

摘 要：現(xiàn)階段，社會進(jìn)步迅速，我國的化工工程建設(shè)的發(fā)展也有了提高。由于大型煤化工項目耗水量大、廢水水質(zhì)復(fù)雜、含鹽量高，因此實(shí)現(xiàn)廢水零排放成為煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然條件，近幾年反滲透水處理技術(shù)已經(jīng)在化工、電力、冶金等行業(yè)零排放項目中作為廢水減量與回用的核心技術(shù)得到廣泛應(yīng)用.采用反滲透技術(shù)對某大型煤制烯烴項目全廠的廢水進(jìn)行濃縮減量與回用后，通過蒸發(fā)結(jié)晶工藝對高含鹽廢水繼續(xù)進(jìn)行濃縮以實(shí)現(xiàn)廢水全部回收利用.該項目已經(jīng)運(yùn)行了4年多，本文從水質(zhì)、工藝設(shè)計等各個環(huán)節(jié)對反滲透系統(tǒng)運(yùn)行中的問題進(jìn)行分析，并尋求解決辦法.

關(guān)鍵詞：煤化工廢水;零排放系統(tǒng);反滲透問題分析;優(yōu)化

引言

我國是一個“富煤、貧油、少氣”的煤炭資源大國[1]，因此發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)勢在必行。然而，煤化工產(chǎn)業(yè)耗水量高、含鹽量高、廢水處理難度大，加上近年隨著我國頒布《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》，對環(huán)保要求越來越高。為了實(shí)現(xiàn)煤化工工業(yè)廢水“零排放”，必須提高廢水濃縮倍率。煤化工廢水水質(zhì)受工藝影響較大，特點(diǎn)是化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和氨氮含量高。

1膜濃縮技術(shù)

反滲透裝置由于占地面積小、能耗低、自動化程度高等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煤化工廢水處理工藝中。但是由于反滲透膜對進(jìn)水水質(zhì)要求較高，通常在反滲透膜進(jìn)水前增加超濾、保安過濾器和自清洗過濾器等膜保護(hù)設(shè)備，截留微細(xì)顆粒物質(zhì)，避免濾膜被大顆粒物質(zhì)堵塞或劃傷。近年來，隨著反滲透技術(shù)的迅速發(fā)展，膜濃縮設(shè)備被分為反滲透和高壓反滲透兩大類。

1.1反滲透

對含鹽廢水施以外界推力克服其滲透壓，使水分子通過膜，達(dá)到分離、提純、濃縮目的的逆向滲透過程即為反滲透。在煤化工廢水處理工藝中，反滲透膜通常選用抗污染苦咸水淡化膜和海水淡化膜兩種規(guī)格，可將濃鹽水濃縮5倍以上，濃鹽水經(jīng)濃縮后實(shí)現(xiàn)了減量化，濃水TDS一般在50000mg/L左右，系統(tǒng)脫鹽率≥98%，回收率≥80%;反滲透的產(chǎn)水已經(jīng)能達(dá)到初級再生水水質(zhì)指標(biāo)。

1.2高壓反滲透

由于普通反滲透膜運(yùn)行時所能承受的壓力一般為25～40bar，為了進(jìn)一步提高濃水的含鹽量，增大濃縮倍率，降低后續(xù)蒸發(fā)單元的處理壓力，提高整個零排放系統(tǒng)的效率，必須加強(qiáng)相應(yīng)膜組的進(jìn)水壓力。近年來，不少水處理行業(yè)選用超高壓卷式反滲透膜組合，碟管式反滲透（Disc Tube Reverse Osmosis，DTRO）是專門處理高濃度污水的膜組件，最大耐受壓力可達(dá)120bar，高壓反滲透系統(tǒng)回收率≥50%，脫鹽率≥98%，鹽分濃縮在100000～180000mg/L。研發(fā)了新型的“納濾-反滲透海水淡化組合”海水淡化工藝，回收率在60%以上，解決了海水淡化過程中反滲透回收率低的問題。對基于高壓反滲透方式的船用海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并建立數(shù)學(xué)模型，得到影響系統(tǒng)的因素為原水濁度、等效高度差（即膜組壓降）、控制閥開度，并且證實(shí)產(chǎn)水流量加速曲線是正當(dāng)收斂的，在14s時，系統(tǒng)產(chǎn)水最終達(dá)到穩(wěn)定。楊芳軍等[10]采用高效反滲透技術(shù)（High Efficiency Reverse Osmosis，HERO）將煤化工濃鹽水TDS濃縮至60000mg/L，同時HERO的進(jìn)水pH調(diào)至10以上，提高了硅的結(jié)垢極限，避免了微生物和有機(jī)物黏附于膜上。

2化工企業(yè)污水處理工藝技術(shù)

煤化工企業(yè)的污水處理可以分為有機(jī)物的處理和無機(jī)鹽的脫除，對于不同的廢水要使用相應(yīng)的廢水處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對污染物更好地處理。

2.1有機(jī)廢水的處理技術(shù)

對于有機(jī)物含量高的煤化工有機(jī)廢水要先進(jìn)行有機(jī)物的脫除，這些富營養(yǎng)化的廢水排入自然環(huán)境中往往會消耗水中的溶解氧等物質(zhì)，引起水體水質(zhì)的惡化。為了避免水體污染，就要對這些有機(jī)物進(jìn)行生物化學(xué)方式的處理，首先采用絮凝沉降的有機(jī)物處理方法進(jìn)行有機(jī)物吸附，這其中絮凝劑要根據(jù)廢水的實(shí)際情況選取合適的產(chǎn)品。絮凝沉降是對廢水中的物質(zhì)進(jìn)行沉降，將其中所不需要的有機(jī)物產(chǎn)品進(jìn)行絮凝后除去，由于有機(jī)物廢水還含有一部分溶解氧存在，所以要加入氧化劑進(jìn)行有機(jī)物氧化，實(shí)現(xiàn)對有機(jī)物活性的降低，在進(jìn)入之后的沉降過程時，可以對廢水達(dá)到初步處理的目的，減少之后絮凝劑的用量以及沉降過程成本的消耗。隨后進(jìn)入反滲透設(shè)備進(jìn)行處理，進(jìn)一步地降低有機(jī)物及雜質(zhì)含量，使之滿足最終冷卻水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入生產(chǎn)工藝流程內(nèi)循環(huán)使用。最后是在冷凝過程中發(fā)揮循環(huán)水的作用，提高生產(chǎn)過程的使用效率，加強(qiáng)設(shè)備的環(huán)保性和整個工藝的節(jié)能減排程度，減少了煤化工廠的生產(chǎn)消耗成本。

2.2含鹽廢水的處理技術(shù)

在煤化工企業(yè)的廢水處理中，對于含鹽廢水也需要采用相應(yīng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鹽離子的去除，最重要的方式就是使用膜處理技術(shù)?；驹硎菍Ⅺ}水通過高分子的濾膜，用過濾膜使廢水中的鹽離子篩選出來，用相關(guān)的膜處理將廢水中大部分的鹽離子脫去。隨后將分離出的鹽水使用蒸發(fā)結(jié)晶法進(jìn)行結(jié)晶處理，基本原理就是在不同的沸點(diǎn)下，按照不同鹽類的性質(zhì)不同進(jìn)行分別提取，并且按照不同鹽離子的性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的分類儲存。在這個過程內(nèi)實(shí)現(xiàn)了各個物質(zhì)的充分利用，隨后將蒸發(fā)結(jié)晶過后的蒸餾水通過冷凝，再進(jìn)入循環(huán)冷水系統(tǒng)作為冷卻水再利用，在這個過程中提高了廢水的使用效率，而如今的蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)不再是整體共同工作，蒸發(fā)過程和結(jié)晶過程是分別工作。目前較多企業(yè)采用了膜蒸發(fā)技術(shù)，是將廢水先進(jìn)入蒸發(fā)室內(nèi)，隨后進(jìn)行加熱過程。這種工藝可以在每個換熱管中均勻形成一層膜，液體在膜內(nèi)進(jìn)行流動就達(dá)到了蒸發(fā)的目的;同時在結(jié)晶過程中，運(yùn)用閃蒸工藝即時地分離出各種鹽離子，最終將冷凝水送入回流裝置繼續(xù)使用，就實(shí)現(xiàn)了含鹽廢水的零排放，同時促進(jìn)鹽類物質(zhì)充分再利用，就能達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量要求以及廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。在煤化工企業(yè)的廢水處理中，不僅包含了有機(jī)廢水的處理系統(tǒng)，還包括含鹽廢水的處理設(shè)備，除此以外還包括了部分廢水處理輔助設(shè)備如離心機(jī)、干燥機(jī)。在這些設(shè)備的共同作用下，就可以實(shí)現(xiàn)煤化工廢水的零排放工藝。

3同類項目反滲透裝置設(shè)計建議

3.1合理設(shè)置段間增壓泵

進(jìn)水含鹽量低于2000mg/L時，回收率75%的反滲透裝置一般采用一級兩段、6芯裝膜殼排列比例2∶1，段間不設(shè)增壓泵，此時反滲透系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)水端凈驅(qū)動壓力是濃水端的2～2.5倍.隨著進(jìn)水含鹽量升高，反滲透系統(tǒng)進(jìn)水端與濃水端的凈驅(qū)動壓力差距加大，造成兩段產(chǎn)水不平衡現(xiàn)象嚴(yán)重，本項目曾出現(xiàn)中水反滲透二段產(chǎn)水量占總產(chǎn)水量不足10%的情況.關(guān)于在何種條件下需要設(shè)置段間增壓泵目前尚無明確設(shè)計規(guī)范.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)回收率≥75%、水溫≥25℃、兩段使用相同型號膜元件的條件下，提出以下建議：（1）當(dāng)進(jìn)水TDS≥2000mg/L時，一二段之間應(yīng)設(shè)置段間增壓泵;（2）當(dāng)進(jìn)水TDS1400～2000mg/L時，根據(jù)情況決定是否設(shè)計段間增壓泵或考慮二段使用透過阻力較小的超低壓膜.通過對市場上主流膜品牌的設(shè)計軟件研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計軟件對報警的設(shè)定條件主要是單支膜元件的流量限制、回收率限制，而沒考慮實(shí)際運(yùn)行工況中溫度、含鹽量都是變化的情況.因此在設(shè)計時應(yīng)考慮水源的自身特性、運(yùn)行工況與膜元件預(yù)期使用壽命，可以允許某些情況下的報警，但這需要設(shè)計人員具有豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)與對設(shè)計軟件的深刻了解。

3.2合理選擇壓力容器

中水、高鹽水水質(zhì)差，水的濃差極化情況對產(chǎn)水水質(zhì)影響大且容易發(fā)生結(jié)垢、污堵等情況，為了減小濃差極化，通常采取提高膜元件表面流速的措施.因此選擇好設(shè)計通量后，通常選擇7支或8支裝膜元件的壓力容器，以減少壓力容器數(shù)量，提高膜元件表面水的流速。

3.3合理控制進(jìn)水溫度

溫度對反滲透系統(tǒng)裝置產(chǎn)水水量、水質(zhì)有直接影響，在進(jìn)水壓力不變的情況下，溫度越高，裝置產(chǎn)水量越高，反滲透膜元件脫鹽率下降.膜的產(chǎn)水量隨溫度增加的曲線基本與水的黏度系數(shù)隨溫度降低的曲線吻合。

結(jié)語

在煤化工企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，對于其化學(xué)廢水的處理日漸受到相關(guān)部門和技術(shù)人員的重視，使用零排放工藝技術(shù)，做到對煤化工廢水污水的回收和再利用，將所排放污水進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后排出生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)煤化工企業(yè)的環(huán)保生產(chǎn)，推進(jìn)國家節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[1]韓志遠(yuǎn)，焦洋，曾繁軍，等.熱電廠反滲透膜污堵特性分析及應(yīng)對策略[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2019，39（5）：131-135.