大型磷化工基地水資源梯級利用探討

劉記華，鄒文敏，李建雄，趙 軍，楊培發(fā)

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基。人多水少、水資源時空分布不均勻是我國的基本國情，我國人均水資源量只有2 100m3，僅為世界人均水平的28%，全國年平均缺水量超過500億m3。水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)惡化等問題是工業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。

工信部《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》明確提出了“十三五”時期工業(yè)節(jié)水三大重點方向：一是強化高耗水行業(yè)節(jié)水管理和技術改造，二是推進水資源循環(huán)利用和廢水處理回用，三是加快中水、再生水、海水等非常規(guī)水資源的開發(fā)利用。

隨著生產工藝和裝備制造能力的不斷進步，為提高生產裝置的技術水平和產品的競爭力，發(fā)揮規(guī)模效應，磷化工行業(yè)生產裝置規(guī)模持續(xù)擴大，磷化工基地(園區(qū))總用水量和廢水排放量持續(xù)上升。未來幾年，隨著國家的環(huán)保形勢越來越嚴峻，相應的監(jiān)管也會越來越嚴格。磷化工行業(yè)存在的環(huán)保、安全等問題，成為了決定企業(yè)生死存亡的關鍵所在，如何提升行業(yè)整體技術水平、實現節(jié)能減排和清潔生產，成為磷化工行業(yè)供給側結構性改革的方向之一。因此，探討如何實現大型磷化工基地水資源梯級利用和廢水零排放顯得尤為重要。

根據當前產業(yè)政策導向，大型磷化工企業(yè)轉向采用半水-二水濕法磷酸技術，輔以濕法磷酸凈化為核心的磷酸梯級利用，生產精細磷酸鹽、高端水溶肥等高附加值和多元化的產品[1]，典型磷化工基地生產裝置組成見表1。

表1 典型磷化工基地(園區(qū))生產裝置組成

本文以上述生產裝置以及配套的公用工程作為典型磷化工基地組成，對大型磷化工基地水資源梯級資源化利用進行分析。

1 典型大型磷化工基地水資源利用現狀

1.1 典型磷化工基地各裝置水資源利用現狀

當前，我國磷化工企業(yè)在水資源利用上普遍存在著兩個問題：一方面，磷化工新鮮水使用不合理、含磷廢水外排嚴重，造成水耗、磷耗高的問題，增加企業(yè)生產成本；另一方面，磷化工企業(yè)在生產中會排出大量含磷、硫、氯、砷、堿等有害物質的廢水，這些有害物質一旦進入人體，對肝臟等人體器官危害極大。根據相關資料顯示，我國磷化工企業(yè)每年所排放廢水達到數千萬噸，直接危害人們的生存環(huán)境與身體健康[2]。

隨著循環(huán)經濟理念的不斷深入和國家節(jié)水和環(huán)保要求的提高，目前，通過裝置內循環(huán)利用，部分生產裝置在正常生產時無廢水排放，具體措施主要有：①磷酸裝置和濕法凈化磷酸裝置。在磷酸裝置和濕法凈化磷酸裝置正常生產時，裝置導淋液、設備和管道清洗排放液被收集到地下槽內，生產時逐步返回反應槽，在正常生產時磷酸裝置和濕法凈化磷酸裝置無廢水排放；②緩控復合肥裝置。緩控復合肥裝置在正常生產時，洗滌塔的洗滌液需根據需要補入一定量的磷酸和水。為保證工藝系統(tǒng)的水平衡以及洗滌液具有合適的流動性，需向尾氣洗滌塔內加入一定量的工藝水。尾氣洗滌塔中多余的洗滌液從后向前依次補充至洗滌器槽等設備，最終用泵送入管式反應器中。各洗滌液成分及N/P比將對洗滌效果和反應產生影響，從而保證了在正常操作下，緩控復合肥裝置無生產廢液排出系統(tǒng)。發(fā)生事故時系統(tǒng)洗滌液排至事故水池，并返回系統(tǒng)使用，不外排；③全水溶肥裝置。全水溶肥裝置(冷卻結晶法)正常生產時，新鮮水主要用來間斷沖洗，采用裝置內的蒸汽冷凝液代替，不消耗新鮮水。全水溶肥裝置(冷卻結晶法)聯產全水溶肥裝置(噴霧法)，全水溶肥裝置(冷卻結晶法)結晶母液送往全水溶肥裝置(噴霧法)，用來制造水溶肥。

因此，當前典型磷化工基地所排廢水的主要來源為：氟硅酸鈉裝置排出的生產廢水、磷酸裝置隨磷石膏漿排往廠外磷石膏渣場的含磷廢水、各裝置事故狀態(tài)下排出的事故污水。

典型磷化工基地配套的公用工程裝置主要有熱電站、原水凈化站、清潔循環(huán)水站、酸性循環(huán)水站、除鹽水站、污水處理站等，水資源利用情況如下：①原水凈化站生產的新鮮水，除用于生產裝置的密封冷卻水等外，主要用于除鹽水站原水、清潔循環(huán)水站補充水、酸性循環(huán)水的部分補充水等；②熱電站和硫酸裝置的汽包排水用作清潔循環(huán)水的補充水；③清潔循環(huán)水的排污水全部用作酸性循環(huán)水的補充水；④酸性循環(huán)水的排污水進入磷酸裝置用作磷石膏的再漿水；⑤污水處理站對全廠常規(guī)污水(生活污水、除鹽水站中和廢水、氟硅酸鈉生產廢水、事故污水等)進行處理并達標排放。

1.2 磷石膏渣場回水利用現狀

目前，大部分磷化工企業(yè)渣場回水并沒有很好的利用方法，僅回再漿槽重新制漿并輸送到渣場，在循環(huán)送回過程中，只通過蒸發(fā)消耗少量水，而在雨水豐富的地區(qū)，每年有大量雨水滯留在渣庫及回水池中。湖北省約有一半地區(qū)多年平均降雨量達1 000mm以上，扣除蒸發(fā)及其他損耗，每年仍有約600mm的降雨保留在渣場及回水池。由于回水消耗量低，自然降雨量大，雨水豐沛區(qū)域的磷石膏渣場，每年積存大量雨水進入渣庫后形成的污水，隨著磷石膏庫堆存高度的增長，庫內調洪庫容越來越小，經年累月，庫內的存水量可能達到100萬m3以上，這不僅使磷石膏庫的安全環(huán)保堆存與閉庫面臨大難題，也給整個磷化工基地的水平衡帶來極大壓力。

1.3 大型磷化工基地用水排水量的設計使用情況

現階段，大型磷化工基地用水排水水量的設計使用情況見表2。

表2 大型磷化工基地用水排水水量表/(m3·h-1)

注：①水量為磷酸裝置磷石膏再漿所用的渣場回水349m3/h及酸性循環(huán)水排污水的水量58m3/h，此水量也是隨磷石膏漿排往渣場的水量；②水量為蒸汽冷凝液回收水量；③水量為污水處理站處理達標排放水量。

現階段典型大型磷化工基地的水平衡見圖1。

圖1 現階段典型大型磷化工基地的水平衡

從用水排水水量表和水平衡圖中可以看出，現階段典型磷化工基地在生產過程中所需新水量1 141m3/h，循環(huán)用水量24 200+7 850=32 050m3/h，回用水量691m3/h，則重復利用水量為32 741m3/h，總用水量33 882m3/h。由此計算可得，項目生產用水的重復利用率為96.6%。

1.4 典型大型磷化工基地節(jié)水措施

目前，磷化工基地和一般化工基地一致，設計采取的節(jié)水措施如下：①在各用水點及用水干管上設置計量和調節(jié)、控制裝置，對各用水裝置實行定額管理，消除跑、冒、滴、漏，并將廠區(qū)內計量數據傳送到控制室內的DCS系統(tǒng)上，進行數據統(tǒng)計、處理和分析，得出用水、排水數據，有針對性地進行水量控制；②在工廠運行時，總用水量、總排水量和各車間或各系統(tǒng)的用水量應進行連續(xù)和階段性統(tǒng)計，以供全廠對用、排水進行管理和監(jiān)測，發(fā)現問題及時處理，如循環(huán)水濃縮倍率，要求穩(wěn)定達到設計指標，嚴格控制循環(huán)水補充水量。水務管理工作還應大力宣揚節(jié)水的意義，加強全體員工節(jié)水的意識，采用有效限量用水的手段，切實做到水務管理的各項要求；③循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用高效收水器減少循環(huán)水漂滴損失，控制循環(huán)水收水器漂滴損失為0.01%，與國家標準的要求(循環(huán)水的漂滴損失小于0.1%)相比，大大減少了循環(huán)水漂滴損失率。同時，優(yōu)化循環(huán)冷卻水水質穩(wěn)定處理方案，提高循環(huán)水濃縮倍數，減少補充水量；④對需要水沖洗的過濾器及設備盡量采用氣水反沖洗，以便減少新鮮水的用量；⑤對用水分質管理，根據工藝對用水水質的要求，采取分質供水；對生產裝置排出的廢水盡可能回用作生產用水，減少一次水用量；⑥對各裝置主要工業(yè)水、冷卻盡可能采用循環(huán)水，實現水的重復利用，節(jié)約水資源。

2 典型大型磷化工基地水資源存在的問題及利用難點分析

2.1 典型大型磷化工基地水資源存在的問題

目前，大型磷化工基地節(jié)水利用存在的主要問題如下：①現有企業(yè)的清污分流做得不夠，使?jié)崈艄I(yè)廢水和其他污水一起排放，造成回收利用困難。如有些企業(yè)將除鹽水站的中和廢水和磷酸廢水一起排到渣場，一方面增加了磷石膏的雜質，另一方面也增加了渣場回水處理回用的難度以及渣庫的安全風險；②建設回用水裝置需要相應的資金和運行費用。在水資源相對富裕的地區(qū)，回用水的成本比企業(yè)直接取水凈化的費用高，企業(yè)對污水處理回用的動力不足；③各裝置的給水沒有得到很好的分質使用，如沖洗對水質要求不高的選礦尾礦、制備浮選劑等采用新鮮水而非回用水；④水務管理制度得不到嚴格執(zhí)行或者沒有制定相關制度，有些裝置的管理操作人員隨意開口接水和排水，使整體水平衡出現偏差，也在一定程度上造成浪費；⑤沒有根據工況對用水和排水的情況進行及時調整，如冬季循環(huán)水系統(tǒng)運行時，在保證給水溫度的情況下，可以減少風機的運行數量，從而減少蒸發(fā)損失水量；⑥在企業(yè)發(fā)展過程中需要進行技術改造，沒有對用水和排水情況進行詳細核算和測試，從而有針對性地制定新的節(jié)水措施，也有可能造成用水的不合理；⑦需要企業(yè)大力宣揚節(jié)水的意義和加強全體員工的節(jié)水意識，采用有效限量用水的手段，切實做到水務管理的各項要求。如果沒有相應的獎懲措施，節(jié)水措施就會形同虛設，達不到目的。

2.2 典型大型磷化工基地水資源利用難點

2.2.1管理和投資

磷化工基地水資源利用的難點主要是在加強管理的同時需投入資金，建設相應的裝置和購置設備。相應解決措施如下：①典型大型磷化工基地裝置較多，用水點和排水點分散，因此，需要投入資金購置流量計、DCS等儀表設備，對各裝置用水排水的水量和水質進行分析和測量，集中進行管理，同時制定用水所用的水質和用水指標等水務管理制度，并嚴格執(zhí)行；②水資源“清污分流、分質利用”需要增加管線和處理設施，如除鹽水的中和排水單獨收集后再進回用水站處理，有些企業(yè)對此重視不夠。

2.2.2極端雨季渣場水平衡

典型大型磷化工基地基本采用濕法輸送磷石膏，隨磷石膏漿送往渣場的水量比回水量多58m3/h，磷石膏渣場就面臨渣庫內存儲大量污水的問題，尤其是在雨水豐沛的地區(qū)，污水經年累月存儲后，庫內污水量越來越大，水平衡無法保證，也給渣庫的安全堆存帶來極大壓力。干旱地區(qū)的渣庫在遇到設計洪水重現期的暴雨時，庫內污水可能在一周內猛增幾十萬立方米，由于缺乏利用磷石膏庫污水的有效方法，庫內污水只能通過庫區(qū)水面以年為單位的長期蒸發(fā)，才能回到暴雨前的正常水位及水平衡狀態(tài)。

3 水資源梯級利用及廢水零排放思路探討

水資源梯級資源化利用，是在原有節(jié)水的基礎上，增加了如下措施：①酸性循環(huán)水的補充水除采用清潔循環(huán)水的排污水外，余下部分采用渣場回水；②含磷廢水替代礦漿水制磷酸。先把選礦裝置來的含水35%的磷精礦漿進行過濾，過濾后的磷精礦含水為15%，再和含磷廢水(渣場回水或酸性循環(huán)水的排污水)混合后送入磷酸反應槽進行反應。由此，過濾下來的礦漿水能夠進一步處理作為生產水回用，既回收了含磷廢水中的磷，又可將含磷廢水循環(huán)利用；③對污水處理站出水進行深度處理，作為清潔循環(huán)水的補充水回用，達到廢水零排放；④磷酸裝置磷石膏再漿水最大限度利用渣場回水，使水資源得到充分利用。

通過增加上述措施，對裝置排水進行清污分流，分質回用，實行生產裝置多個小循環(huán)梯級利用、裝置區(qū)廢水零排放。同時又和渣場回水一起形成大循環(huán)，水資源得到充分利用。

大型磷化工基地水資源梯級資源化利用的用水、排水水量見表3。

表3 水資源梯級利用的用水、排水水量/(m3·h-1)

注：①水量為硫酸裝置潔凈排水6m3/h及渣場回水替代礦漿水制磷酸的常規(guī)排水47m3/h；②水量為磷酸裝置磷石膏再漿所用的渣場回水349m3/h加酸性循環(huán)水排污水的水量58m3/h，共計407m3/h，再加渣場回水替代礦漿水制磷酸的水量47m3/h，其中，407m3/h是隨磷石膏漿排往渣場的水量；③水量為蒸汽冷凝液回收水量；④水量為工藝及輔助裝置潔凈排水8m3/h，加回用水站產水水量143m3/h；⑤水量為清潔循環(huán)水排污水88m3/h及渣場回水89m3/h。

水資源梯級資源化利用后，基地廢水實現零排放。典型大型磷化工基地水資源、梯級資源化利用水平衡見圖2。

從用水、排水水量表和水平衡圖中可以看出，現階段典型磷化工基地在生產過程中所需新水量為906m3/h，循環(huán)用水量為24 200+7 850=32 050m3/h，回用水量為972m3/h，則重復利用水量為33 022m3/h，總用水量33 928m3/h。由此計算項目生產用水的重復利用率為97.3%，比常規(guī)設計提高了0.7%。一次水用量減少了235m3/h，一年節(jié)水188萬m3。

圖2 典型大型磷化工基地水資源梯級資源化利用水平衡

經過水資源梯級資源化利用后，渣場回水經澄清及簡單處理后可以用作酸性循環(huán)水的補充水，同時，將礦漿所帶的中性水置換為酸性含磷的渣場回水，使水資源均能重新被利用。這樣，渣場回水以多出磷石膏攜帶水量135m3/h的用量回裝置使用。遇到極端暴雨工況時，原水凈化站以100m3/h的速度將渣場回水處理后作為一次水進入工藝裝置使用，同時減少相應的新鮮水量，可以解決渣場水平衡問題及極端暴雨情況下磷石膏庫的防洪安全問題。

以湖北省為例，匯水面積1km2的磷石膏渣場在遇到重現期100年的暴雨時，將產生約30萬m3的污水。通過酸性循環(huán)水裝置及置換礦漿水平衡，消耗30萬m3污水需要的時間為30×10000÷(235×24)=53(天)。回水池庫容設計為35萬m3，平時通過渣場回水回用消耗庫內增加的污水，雨季來臨前保證回水池處于低水位運行，并且?guī)靸阮A留足夠的調洪庫容。這樣在遇到設計洪水重現期暴雨時，水池庫容富余量還有35萬-30萬=5萬m3。暴雨來臨后，原水凈化站以100m3/h的速度處理渣場回水，庫內洪水排入回水池后也重新具備一定的調洪庫容，這樣就解決了渣庫大量存水無法平衡及極端暴雨工況下磷石膏庫的防洪安全問題。

4 結語

本文從裝置小循環(huán)、基地與渣場大循環(huán)、如何清污分流、分類資源化利用污水，進而減少一次水用量等多個方面，對大型磷化工基地水資源梯級資源化利用進行了探討。典型磷化工基地水資源梯級利用思路有以下幾點：①一次水用作設備密封冷卻水、除鹽水制備原水及清潔循環(huán)水補水等；②二級利用為清潔循環(huán)水排水，用于酸性循環(huán)水補充水、工藝裝置潔凈廢水經處理后用作清潔循環(huán)水補水等；③三級利用為酸性循環(huán)水排水，用于磷酸裝置沖洗、酸性含磷廢水置換礦漿中性水等；④四級利用為渣場回水，用于酸性循環(huán)水補充水以及磷石膏再漿用水等。平時通過循環(huán)水裝置及置換礦漿水消耗庫內增加的污水，雨季來臨前保證回水池處于低水位運行，這樣就解決了渣庫大量存水無法平衡及極端暴雨工況下磷石膏庫的防洪安全問題。

由此，大型磷化工基地的用水方式實施裝置小循環(huán)、基地大循環(huán)，水資源得到充分利用，基本實現廢水零排放。在節(jié)約新鮮水用量的同時，含磷廢水磷耗也得到充分利用，降低了企業(yè)的生產成本，減輕了磷化工企業(yè)在環(huán)保、安全方面的壓力，對于提升行業(yè)整體技術水平、實現節(jié)能減排和清潔生產具有重要意義。