某煤化工中水回用項目智慧反滲透(SSDRO)技術中試研究

葉 飛，李 成，朱德漢，肖 杰，王 濤，劉 林

(1. 國能新疆化工有限公司， 烏魯木齊 831404； 2. 南京順水達環(huán)保科技有限公司， 南京 210000)

煤化工技術是指以產出新的能源和產品為主的煤化學加工轉化技術，以潔凈煤技術為基礎，涉及煤的焦化、氣化、液化等方面。某煤化工項目以煤為原料，每年生產180萬t甲醇。在生產和運行過程中自主研發(fā)了一套神華MTO處理技術，可以將甲醇轉化為烯烴，進一步生產聚乙烯、聚丙烯等其他化工產品。該項目主要包括煤氣化、凈化、硫回收、甲醇合成、甲醇制烯烴、烯烴分離、C4烯烴轉化、低密度聚乙烯/聚丙烯等工序。為了保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，配套了自備電站(包含化水站)、凈水場、循環(huán)水場、污水處理、儲罐區(qū)等公用工程、輔助設施及廠外輔助處理工程[1]。

本次項目的中試地址位于新疆烏魯木齊，由于水資源緊缺，當地煤化工企業(yè)對水的利用尤為重視。本煤化工廠區(qū)建設有大型脫鹽水系統(tǒng)和中水回用處理系統(tǒng)、廢水零排放系統(tǒng)。水處理系統(tǒng)的核心處理工藝采用膜處理技術，通過滲透和反滲透的原理將水中的離子分離出來，從而得到高純度脫鹽水，回用于生產補給。

1 膜處理技術

目前國內運用較多的膜技術包括過濾膜(超濾、膜生物反應器、管式微濾)、滲透膜(納濾、反滲透、正滲透、碟管式反滲透、管網式反滲透膜)、離子膜(均相膜、異相膜、雙極膜)[2]，主要運用于煤化工、電廠脫硫廢水、礦場廢水、電力行業(yè)給水、市政給水等場景。本次中試項目為響應國家節(jié)水號召，運用了某公司自主研發(fā)的智慧反滲透(SSDRO)系統(tǒng)。該技術將常規(guī)膜處理系統(tǒng)75%的回收率提高到88%，減少了系統(tǒng)的排水量，降低了濃水的二次處理費用。

1.1 常規(guī)反滲透膜技術

1960年美國加利福尼亞大學的洛布與素里拉簡發(fā)明了一項高新膜分離技術“反滲透膜”，利用一定的壓力使溶液中的溶劑經過反滲透膜(或稱半滲透膜)分離出來。因為與自然滲透的方向相反，故也稱為逆滲透。根據各種物料的不同滲透壓，達到分離、提取、純化和濃縮的目的。反滲透膜的孔徑≤10 ?，可去除水中分子量很小的鹽分、膠體、有機物、細菌、病毒、熱源等。該技術已廣泛用于苦咸水淡化、電子和醫(yī)藥用純水、飲用水、太空水、海水淡化、中水廢水回用等行業(yè)。單支膜元件對水中溶解性離子的脫除率達到99%以上，而脫除膠體物質、有機物的能力更是超過其脫鹽能力。圖1為反滲透原理圖[3]。

圖1 反滲透原理圖

反滲透膜通過半透膜和兩側的壓力差來推動運行。用反滲透膜將濃鹽水和淡水隔開，淡水會通過反滲透膜向濃鹽水滲透。如果在濃鹽水中持續(xù)施加壓力，當大于淡水滲透壓力時，濃鹽水中的水分子會通過反滲透膜進入淡水，不能通過的鹽分則留在濃水側。反滲透運行過程見圖2。

經過長時間反滲透運行后，濃水端的鹽分不斷提高，不排放會結垢，導致系統(tǒng)癱瘓，所以在反滲透系統(tǒng)運行過程中需設置濃水排放。常規(guī)反滲透系統(tǒng)運行方式見圖3。

由圖3可知，系統(tǒng)進水經過高壓泵增壓后進入第一段膜殼，產出系統(tǒng)的產水。模塊C為一段產出的膜殼濃水，匯總后進入二段膜殼。最終濃水經過調節(jié)閥后出水。二段產水則與一段產水匯合后作為系統(tǒng)的總產水進入產水箱。在運行過程中，系統(tǒng)中濃水含鹽量逐步提升，導致結垢嚴重。

假設系統(tǒng)總進水體積流量為100 m3/h，為了保障足夠的水量把濃水的鹽分沖走，通過調節(jié)閥開度，將濃水體積流量控制在25 m3/h，產水體積流量控制在75 m3/h。根據進水水質的不同，如常規(guī)地表水、地下水，設置系統(tǒng)回收率為75%，剩下的水作為濃水外排，從而保障系統(tǒng)正常運行。

1.2 SSDRO技術

常規(guī)反滲透工藝是在損耗大量產水的前提下運行的[4]。SSDRO技術最初針對高含鹽脫鹽處理開發(fā)研究，目的是提高脫鹽系統(tǒng)的回收率，并減少廢水的排放量。SSDRO裝置，在提高反滲透系統(tǒng)回收率的同時，不僅能減少濃水排放量，而且還能降低結垢傾向，減少系統(tǒng)阻垢劑等藥耗量，從而節(jié)省運行費用。

反滲透的核心是通過壓力驅動水分子穿過反滲透膜獲得可利用的水。滲透壓提高可以獲得更多的水分子，提高回收率，但滲透壓的增大膜元件結垢速率也會隨之增加。而水的結垢是在一定時間內逐步積累產生的，SSDRO技術就利用了結垢時差這一點。根據圖3所示，當反滲透膜因濃水鹽分過高即將結垢時，改變膜殼的進水方向，用低鹽分的干凈水將濃鹽水置換掉，從而防止結垢。

SSDRO技術通過切換水流進水方向，使膜殼內部結垢趨勢較重的濃水側變?yōu)檫M水側，降低濃差極化程度，使結垢趨勢得到緩解。在應用濃鹽水等處理難度較高的廢水時，SSDRO技術可以達到更高的系統(tǒng)回收率。SSDRO技術的運行方式見圖4。

圖4 SSDRO技術的運行方式

SSDRO技術將進水、產水、濃水管道和反滲透膜元件的流水方向由固定不變轉變?yōu)橹腔矍袚Q。通過閥門的開關連鎖配合，一段和二段模塊的進水方向和位置隨運行模式的轉換同步轉換。

2 中試運行數據分析

為了體現SSDRO的技術優(yōu)勢，新疆某煤化工公司對污水膜系統(tǒng)開展中試實驗。根據現場基本條件模擬同類型運行工況進行中試，進水取自超濾產水池，反滲透膜元件與現場保持一致。設計生產集成一套撬裝設備，設計回收率為88%，穩(wěn)定運行周期為4個月。

支持單位為南京順水達環(huán)?？萍加邢薰?，現場設置一套產水25 m3/h的SSDRO系統(tǒng)。進水選用超濾產水池的水，詳細水質見表1。

表1 原水水質

系統(tǒng)進水質量濃度為2 960～3 623 mg/L，產水質量濃度穩(wěn)定在37 mg/L，濃水質量濃度為15 369～16 570 mg/L,詳細趨勢見圖5。

圖5 進水、產水、濃水電導趨勢

系統(tǒng)穩(wěn)定運行4個月后，以回收率65%以上起步調試，待穩(wěn)定運行3～5 d后逐步提升回收率。最終將系統(tǒng)回收率穩(wěn)定在88%，脫鹽率維持著99%以上。詳細趨勢見圖6。

圖6 脫鹽率趨勢

對于經濟性，對比常規(guī)反滲透和SSDRO系統(tǒng)運行成本進行分析。常規(guī)反滲透系統(tǒng)的進水體積流量為28 m3/h，產水體積流量為21 m3/h(即75%回收率)，各項目用量見表2，運行成本分析見表3。

表2 常規(guī)反滲透系統(tǒng)各項目用量

表3 常規(guī)反滲透系統(tǒng)運行成本分析

SSDRO系統(tǒng)的進水體積流量為28 m3/h，產水體積流量為25 m3/h，各項目用量見表4，運行成本分析見表5。

表4 SSDRO系統(tǒng)各項目用量

表5 SSDRO工藝運行成本分析

根據兩種運行模式成本分析，可知常規(guī)反滲透系統(tǒng)合計費用為95.37元，噸水處置費用為4.54元；SSDRO系統(tǒng)合計費用為54.94元，噸水處置費用為2.20元。

SSDRO整體運行費用比常規(guī)反滲透顯著減少，噸水處置費用降幅達到48.4%。以某項目膜系統(tǒng)進水體積流量為1 500 m3/h計算，一年(8 000 h)節(jié)省費用為2 637萬元。

3 改造效果

本項目設計進水電導≤4 000 μS/cm，設計進水體積流量≥28 m3/h，產水體積流量≥25 m3/h。經過為期4個月的試運行，系統(tǒng)回收率穩(wěn)定在88%以上，產水電導穩(wěn)定在36 μS/cm左右。

4 結語

通過SSDRO工藝與傳統(tǒng)反滲透裝置在運行成本、系統(tǒng)回收率、脫鹽率等方面進行綜合對比，證明SSDRO工藝回收率達88%以上時系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，且運行成本低，較傳統(tǒng)反滲透裝置有較大突破。SSDRO工藝對我國水資源緊缺地區(qū)應用具有重要意義。