鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)反滲透濃水分鹽零排放工藝設(shè)計(jì)

任同偉

(1.北京匯恒環(huán)保工程股份有限公司 , 北京 100020 ; 2.維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司 , 江蘇 常州 213125)

近日,工信部會(huì)同有關(guān)部門指導(dǎo)和推動(dòng)企業(yè)推進(jìn)鋼焦融合、鋼化聯(lián)產(chǎn),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)耦合發(fā)展,有利于我國(guó)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放,提高能源利用效率。鋼焦聯(lián)產(chǎn)會(huì)使得企業(yè)整體產(chǎn)生的廢水水質(zhì)情況變得特別復(fù)雜,不僅有鋼鐵工業(yè)的冷軋廢水、脫硫廢水、水洗廢水和煤氣冷凝水等,還有焦化企業(yè)的蒸氨廢水、剩余氨水、煤氣終冷水、粗苯分離水和其他生產(chǎn)廢水。除此以外,還有公共的軟水站廢水、除鹽水站廢水和生活廢水等。

本零排放工藝設(shè)計(jì)的對(duì)象為公共的軟化站反滲透濃水,其處理工藝為格柵→曝氣池→高密池→V型濾池→超濾→反滲透。此類廢水水質(zhì)波動(dòng)較大,隨進(jìn)水水質(zhì)變化而變化,對(duì)設(shè)計(jì)造成了一定的困難。但是對(duì)于專業(yè)從事工業(yè)廢水零排放的維爾利集團(tuán)來(lái)說(shuō),基本毫無(wú)難度,專治各種“疑難雜癥”,充分結(jié)合類似項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),兼顧水量波動(dòng)和水質(zhì)波動(dòng),設(shè)計(jì)出一條科學(xué)合理、造價(jià)低的工藝流程。

1 進(jìn)水水質(zhì)概況

根據(jù)電導(dǎo)率值與工程經(jīng)驗(yàn)判斷出本項(xiàng)目廢水含鹽量濃度在3 000 mg/L左右,濃度較低,需要進(jìn)一步濃縮減量?？傆捕容^高,超過(guò)1 000 mg/L,在進(jìn)入膜系統(tǒng)前需要進(jìn)行軟化除硬,以保護(hù)膜結(jié)垢污堵。經(jīng)過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)COD有一點(diǎn)的波動(dòng)性,需要在RO2進(jìn)水之前考慮去除;進(jìn)水的二氧化硅含量約40 mg/L,在一級(jí)膜濃縮前預(yù)處理可去除一部分,在RO1濃縮后,進(jìn)入RO2之前需考慮去除硅。

2 設(shè)計(jì)邊界范圍

①進(jìn)水由鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)接至本零排放處理站紅線外1 m處,接口壓力≥0.2 MPa。②處理站內(nèi)產(chǎn)生的合格回用水由本公司負(fù)責(zé)送至本處理站紅線外1 m處,接口壓力≥0.2 MPa。③處理站內(nèi)產(chǎn)生的精鹽由本公司負(fù)責(zé)打包并送至指定倉(cāng)庫(kù),后續(xù)由鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)。④本公司負(fù)責(zé)將處理站內(nèi)產(chǎn)生污泥進(jìn)行脫水處理,脫至含水率約70%,由鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)從脫水機(jī)落料口處收集并處置。⑤鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)將380 V電源供至處理站低壓柜中,處理站內(nèi)由我方負(fù)責(zé)。⑥本公司負(fù)責(zé)處理站內(nèi)自控系統(tǒng),并預(yù)留通訊接口。⑦鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)將蒸汽管道敷設(shè)至處理站紅線外1 m處,接口處壓力≥0.3 MPa,后續(xù)由我方接入各個(gè)蒸汽使用點(diǎn)。⑧壓縮空氣由鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)供至處理站紅線外1 m處,后續(xù)由我方接入各個(gè)用氣點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)要求

3.1 產(chǎn)水水質(zhì)

3.2 精鹽品質(zhì)

處理站內(nèi)產(chǎn)生的氯化鈉品質(zhì)滿足《煤化工副產(chǎn)工業(yè)氯化鈉》T/CCT 002—2019中工業(yè)干鹽二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),主要指標(biāo)為氯化鈉≥97.5 g/(100 g),水分≤0.8 g/(100 g),鈣鎂離子總量≤0.6 g/(100 g),硫酸根離子≤0.9 g/(100 g),TOC≤40 mg/kg,白度(R457)≥67%。產(chǎn)生的硫酸鈉品質(zhì)滿足《煤化工副產(chǎn)工業(yè)硫酸鈉》T/CCT 001—2019中 A 類一等品標(biāo)準(zhǔn),主要指標(biāo)為硫酸鈉≥98.0%,水分≤0.5%,水不溶物≤0.1%,鈣鎂離子總量≤0.30%,氯化物≤0.7%,白度(R457)≥82%,TOC≤50 mg/kg。

4 工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)公司的工程經(jīng)驗(yàn)和水質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出“預(yù)處理+濃縮減量+納濾分鹽+蒸發(fā)結(jié)晶”的工藝流程,如圖1～3所示。

圖1 預(yù)處理

圖2 濃縮減量

圖3 納濾分鹽+蒸發(fā)結(jié)晶

前端廢水首先進(jìn)入“一級(jí)高密池”,投加NaOH、Na2CO3、PFS和PAM進(jìn)行軟化除硬操作,發(fā)生如式(1)～(3)的反應(yīng)。

(1)

(2)

(3)

一級(jí)高密池產(chǎn)水的污泥通過(guò)排泥泵打入“污泥儲(chǔ)池”中,再通過(guò)泵輸送至“板框壓濾機(jī)”中進(jìn)行脫水。一級(jí)高密池出水還含有一定濃度的懸浮物,需要進(jìn)一步去除這些懸浮物,初步去除懸浮物的工藝主要為多介質(zhì)過(guò)濾器和V型濾池,對(duì)于大水量來(lái)說(shuō),V型濾池的性價(jià)比高于多介質(zhì)過(guò)濾器,所以本項(xiàng)目采用V型濾池去除懸浮物。由于V型濾池過(guò)濾精度較低,對(duì)反滲透膜保障力度較低,需要進(jìn)一步去除懸浮物。UF是反滲透系統(tǒng)較為常規(guī)的工藝,本設(shè)計(jì)也采用UF。

UF1產(chǎn)水進(jìn)入“RO1裝置”中,設(shè)計(jì)得率為75%,RO1產(chǎn)水回用,RO1濃液進(jìn)入“二級(jí)高密池”中,投加NaOH、Na2CO3、PFS和PAM繼續(xù)進(jìn)行軟化除硬操作。二級(jí)高密池出水進(jìn)入“多介質(zhì)過(guò)濾器”中,需要進(jìn)一步去除這些懸浮物和濁度。由于RO1裝置將廢水中所有物質(zhì)進(jìn)行了濃縮,其中COD也同步濃縮,為了保護(hù)后端反滲透膜的運(yùn)行穩(wěn)定性,需要進(jìn)行降解COD工藝操作。

RO2濃水進(jìn)入“NF裝置”,設(shè)計(jì)得率為75%,NF濃水則進(jìn)入“硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)”中進(jìn)行蒸發(fā),最后得到硫酸鈉精鹽,NF產(chǎn)水進(jìn)入“RO3裝置”中,設(shè)計(jì)得率為75%,RO3產(chǎn)水回用,RO3濃水則進(jìn)入“氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)”中進(jìn)行蒸發(fā),最后得到氯化鈉精鹽。

5 主要工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 一級(jí)高密池

一級(jí)高密池設(shè)計(jì)水量為960 m3/h,考慮到高密池運(yùn)行的日常維護(hù),設(shè)計(jì)兩座高密池,出水總硬度控制<80 mg/L CaCO3,SS<10 mg/L?；旌蠀^(qū)設(shè)計(jì)每座2格,設(shè)計(jì)尺寸為2 m×2 m×3 m;絮凝區(qū)設(shè)計(jì)每座1格,設(shè)計(jì)尺寸為4.2 m×4.2 m×5 m;沉淀區(qū)設(shè)計(jì)尺寸為12 m×12 m×6.5 m;表面負(fù)荷設(shè)計(jì)為3 m3/(m2·h),其配套的主要設(shè)備如表1所示。

表1 一級(jí)高密池主要設(shè)備清單

5.2 V型濾池

V型濾池設(shè)計(jì)尺寸為8 m×4 m×4.8 m,整體結(jié)構(gòu)為鋼砼防腐,其配套的主要設(shè)備如表2所示。

表2 V型濾池主要設(shè)備清單

5.3 UF1裝置

超濾是以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)之一,以大分子與小分子分離為目的,膜孔徑在2～100 nm,而中空纖維膜具有單位容器內(nèi)充填密度高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn),故本項(xiàng)目采用此類型的膜組件。

本項(xiàng)目總進(jìn)水量約900 m3/h,按照工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)5×180 m3/h的處理規(guī)模,設(shè)計(jì)產(chǎn)水SDI15≤3,產(chǎn)水濁度≤1 NTU,設(shè)計(jì)運(yùn)行通量≤45 L/(m2·h),回收率≥90%,其配套的主要設(shè)備如表3所示。

表3 UF1裝置主要設(shè)備清單

5.4 RO1裝置

反滲透是一種以壓力差為推動(dòng)力,從溶液中分離出溶劑的膜分離操作過(guò)程。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)RO1裝置為5×162 m3/h的處理規(guī)模,平均通量≤18.5L/(m2·h),其配套的主要設(shè)備如表4所示。

表4 RO1裝置主要設(shè)備清單

5.5 二級(jí)高密池

設(shè)計(jì)水量為240 m3/h,考慮到高密池運(yùn)行的日常維護(hù),設(shè)計(jì)兩座高密池?；旌蠀^(qū)設(shè)計(jì)每座2格,設(shè)計(jì)尺寸為1.6 m×1.6 m×2.4 m;絮凝區(qū)設(shè)計(jì)每座1格,設(shè)計(jì)尺寸為2.4 m×2.4 m×4 m;沉淀區(qū)設(shè)計(jì)尺寸為6.5 m×6.5 m×6.5 m;表面負(fù)荷設(shè)計(jì)為3 m3/(m2·h),其配套的主要設(shè)備見(jiàn)表5。

表5 二級(jí)高密池主要設(shè)備清單

5.6 臭氧催化氧化裝置

單獨(dú)使用臭氧處理廢水,存在臭氧利用率低、氧化能力不足、處理效果差等問(wèn)題。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的臭氧催化劑基于活性氧化鋁載體、多種活性組分燒結(jié)制成,呈球狀顆粒,該催化劑具有極強(qiáng)的捕捉富集能力,提高·OH轉(zhuǎn)化能力。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的臭氧投加比為1∶1～1∶3,其配套的主要設(shè)備如表6所示。

表6 臭氧催化氧化裝置主要設(shè)備清單

5.7 多介質(zhì)過(guò)濾器

多介質(zhì)過(guò)濾器是利用兩種以上介質(zhì),在一定的壓力下把濁度較高的水通過(guò)粒狀材料,從而除去懸浮雜質(zhì)的過(guò)程,常用的濾料有石英砂和無(wú)煙煤,其配套的主要設(shè)備如表7所示。

表7 多介質(zhì)過(guò)濾器主要設(shè)備清單

5.8 UF2裝置

UF2裝置總進(jìn)水量為220 m3/h,設(shè)計(jì)單套處理量為110 m3/h,共計(jì)2套,其配套的主要設(shè)備見(jiàn)表8。

表8 UF2裝置主要設(shè)備清單

5.9 RO2裝置

RO2裝置配套的主要設(shè)備如表9所示。

表9 RO2裝置主要設(shè)備清單

5.10 NF裝置

納濾是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程。納濾膜是荷電膜,能進(jìn)行電性吸附,對(duì)不同電荷和不同價(jià)數(shù)的離子又具有不同的Donann電位,可以有效地去除二價(jià)和多價(jià)離子。其配套的主要設(shè)備如表10所示。

表10 NF裝置主要設(shè)備清單

5.11 RO3裝置

RO3裝置配套的主要設(shè)備如表11所示。

表11 RO3裝置主要設(shè)備清單

5.12 蒸發(fā)結(jié)晶裝置

由于納濾對(duì)二價(jià)鹽有很高的截留率,對(duì)一價(jià)鹽無(wú)截留,故納濾產(chǎn)水側(cè)主要以氯化鈉為主,納濾濃水側(cè)以硫酸鈉和氯化鈉為主。納濾濃水側(cè)含鹽量較高,NF濃水側(cè)TDS可達(dá)100 000～150 000 mg/L,不需要再次濃縮。NF濃水箱濃水由泵提升進(jìn)入三效蒸發(fā)結(jié)晶裝置的原水罐,由硫酸鈉進(jìn)料泵提升經(jīng)過(guò)板式預(yù)熱器后進(jìn)入一效蒸發(fā),濃縮后的母液依靠壓力差進(jìn)入二效蒸發(fā)罐繼續(xù)蒸發(fā),進(jìn)一步濃縮的母液自流進(jìn)入三效蒸發(fā)析硝罐繼續(xù)蒸發(fā)、濃縮,大量硫酸鈉晶體在三效蒸發(fā)罐內(nèi)達(dá)到飽和析出。三效蒸發(fā)罐產(chǎn)生的硫酸鈉漿液由鹽漿泵送至旋流分離器進(jìn)行預(yù)增稠,進(jìn)入增稠器提濃,再送至離心機(jī)進(jìn)行離心脫水分離,得到濕硫酸鈉晶體;再送至干燥器進(jìn)行干燥得到硫酸鈉晶體,經(jīng)過(guò)包裝機(jī)包裝后進(jìn)行資源化利用。旋流分離器分離的母液進(jìn)入三效蒸發(fā)罐循環(huán)處理。排放少許的母液進(jìn)入雜鹽噴霧干燥裝置處置。

NF產(chǎn)水經(jīng)過(guò)RO3裝置濃縮后進(jìn)入RO3濃水箱,由泵提升進(jìn)入氯化鈉三效蒸發(fā)系統(tǒng)的原水罐,由氯化鈉進(jìn)料泵提升經(jīng)過(guò)板式預(yù)熱器后進(jìn)入一效蒸發(fā)罐,濃縮后的母液依靠壓力差進(jìn)入二效蒸發(fā)罐繼續(xù)蒸發(fā),進(jìn)一步濃縮的母液自流進(jìn)入三效蒸發(fā)析硝罐繼續(xù)蒸發(fā)、濃縮,氯化鈉晶體在三效蒸發(fā)罐內(nèi)達(dá)到飽和析出。三效蒸發(fā)罐產(chǎn)生的氯化鈉漿液由鹽漿泵送至旋流分離器進(jìn)行預(yù)增稠,進(jìn)入增稠器提濃,再送至雙極推料離心機(jī)進(jìn)行離心脫水分離,得到濕氯化鈉晶體;再送至干燥器進(jìn)行干燥得到氯化鈉晶體,經(jīng)過(guò)包裝機(jī)包裝后進(jìn)行資源化利用。旋流分離器分離的母液三效蒸發(fā)罐循環(huán)處理。排放少許的母液進(jìn)入噴霧干燥裝置進(jìn)行處置。其配套的主要設(shè)備如表12所示。

表12 蒸發(fā)結(jié)晶裝置主要設(shè)備清單

6 運(yùn)行成本分析

根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算得到,本項(xiàng)目每噸水的主要運(yùn)行成本:藥劑費(fèi)為4～5元,公用工程為2.5～3元,人工成本為0.2～0.5元,消耗品成本為0.5～1.0元,固廢處置成本(污泥和雜鹽)為1.5～2.0元,分析化驗(yàn)成本為0.1～0.2元,設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本0.2～0.3元,合計(jì)10～12元。

7 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

本項(xiàng)目除土建工程外約14 500萬(wàn)元,不但解決了鋼焦聯(lián)產(chǎn)企業(yè)廢水無(wú)處排放的問(wèn)題,而且還得到了大量的回用水,回用到生產(chǎn)裝置中的各個(gè)地方,節(jié)省了大量的生產(chǎn)水。保護(hù)了周邊環(huán)境的同時(shí),還獲得了巨大的社會(huì)效益,處理裝置產(chǎn)出的產(chǎn)品鹽具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,為下游氯堿工業(yè)提供了原材料,真正實(shí)現(xiàn)了廢水的資源化利用,實(shí)現(xiàn)了將廢水“吃干榨凈”的目標(biāo)。