煤化工項目廢水零排放及含鹽廢水處理技術分析研究

李艷芳

(山西省呂梁市環境科學研究所，山西 呂梁 033000)

引 言

我國能源資源結構特點為“多煤、缺油、少氣”。近年來，雖然我國煤炭在一次能源消費中的比例逐步降低，但未來相當長的一段時期，煤炭仍將占據基礎能源地位[1]。然而，大規模的煤炭燃燒是我國霧霾產生的重要原因之一。現代煤化工有利于促進煤炭更清潔和高效化開發利用，已成為當前我國能源產業發展的重要領域。但是，能源生產利用的同時又是工業耗水及廢水排放的重點領域，對于人均水資源相對匱乏的我國而言，降低其水耗、減少廢水排放要求更為迫切。為了不讓水問題成為制約現代煤化工產業發展的重要因素，近年來針對其先進節水工藝技術和裝備的研發成果越來越多，為新建現代煤化工項目方案設計和具體實施提供了更多選擇，極大程度上促進了產業可持續發展[2]。

1 現代煤化工過程水系統及特點分析

1.1 現代煤化工過程水系統

水是工業的血液，任何工業生產都離不開水。在現代煤化工主要反應過程中，氣化、變換、部分分離及反應等單元都需要補充水參與反應，需要大量的循環冷卻水進行熱物料的冷卻，且會生成外排工藝廢水。可以說，煤化工過程實際也是水系統反應、循環和排放的集成過程[3]。一般情況下，我們把煤化工耗水分為工藝水、循換熱水、動力用水、廢水(污水)等幾大類，如圖1所示。

圖1 現代煤化工水系統及耗水分類

1.2 現代煤化工過程水耗現狀與特點

據相關研究顯示，因原料稟賦特征，“十一五”、“十二五”時期建成的現代煤化工示范項目，項目單位水耗普遍較高。隨著煤炭深加工示范項目在建成穩定運行后，相關人員在工程用水、水系統優化方面的管理水平逐步提高。

目前現代煤化工過程水耗有如下三大特點：1) 因其反應過程及生產特點，現代煤化工是高耗水行業，但在國民經濟貢獻方面，其萬元工業增加值水耗相對并不高；2) 隨著項目單位與研究院所、設計院不斷攻關，現代煤化工項目陸續進入優化完善階段，項目的單位水耗有了大幅度的下降；3) 在國家政策的嚴格要求下，對煤化工水系統過程進行不斷優化開發，在建、擬建項目水耗可進一步下降[4]。

2 現代煤化工含鹽廢水特性分析

煤化工產生的工藝、工業廢水及生活污水等，通過系統水汽蒸發、回用水的再生等途徑，形成高含鹽廢水。這種經過特殊、生化和膜濃縮處理后的含鹽廢水的處理，是現代煤化工過程水系統優化的關鍵步驟。近年來，我國政府及相關部門對濃鹽水處理要求明顯提高，尤其進入“十二五”中后期和“十三五”以來，國家對新的現代煤化工項目基本都是實現廢水“零排放”和節水提升。可見，我國對現代煤化工含鹽廢水處理與回用技術優化的重視程度。

2.1 廢水鹽分的源解析

隨著煤化工用水量的增大以及循環使用倍率的增加，通常廢水經過逐級利用、處理，最終產生了大量的濃鹽水。煤化工含鹽廢水成分復雜，多數來源于項目全廠回用系統的反滲透濃水。高濃鹽水不僅導致污水處理系統不能正常運行，還會影響水體生態環境和污染地下水，引起土壤鹽漬化，同時還會造成金屬管道和設備的腐蝕，影響處理設施的壽命。從源頭上看，含鹽廢水中的鹽分主要來源于新鮮工業水及不同生產環節，包括除鹽水站排水、生產工藝過程廢水、廢水處理過程廢水、循環排污水、回用水系統、及其他廢水。

2.2 含鹽廢水的水質特點

一般來說，煤化工生產過程中，除鹽水系統排水TDS濃度為2 500 mg/L～3 500 mg/L，這部分廢水硬度較大、鹽含量高；煤氣化排放工藝廢水的TDS濃度在1 000 mg/L～1 500 mg/L，這類廢水COD、氨氮、含鹽量等污染物的含量較高；循環水場排放廢水的TDS濃度約為1 800 mg/L～2 600 mg/L，這類廢水CODcr、濁度、含鹽量高[5]。

3 煤化工含鹽廢水處理技術路線分析

據相關研究顯示，含鹽廢水“零排放”是實現煤化工項目廢水不外排的關鍵，雖然當前煤化工濃鹽水處理尚處于技術研發和部分示范階段，但已形成較為成熟的處理模式。

3.1 濃鹽水處理工藝技術及特性分析

含鹽廢水處理一般可以分三個步驟：1) 預處理。此階段主要通過添加軟化劑、絮凝劑、混凝劑等藥劑，進行物理及化學除雜，除去水中經過前一階段濃縮的硬度、COD等易引起結垢等因子，降低水中大部分硬度等，同時協同去除部分COD，降低后續處理工序結垢風險。

2) 深度濃縮。現代煤化工含鹽廢水經過預處理后，最終會以蒸發結晶的方式實現廢水不外排。為了減少蒸發結晶工序的處理負荷，同時為節省費用和提高水資源回用率，在廢水“零排放”的要求下，一般在預處理后和蒸發結晶前增加深度濃縮工序。

與海水相比，高鹽水成分更為復雜，主要有機物濃度高，目前含鹽廢水深度濃縮工藝主要包括SWRO、HERO、DTRO/STRO等。其中，近年來海水淡化反滲透膜濃縮(SWRO)工作壓力大幅降低至2.5 MPa～4.5 MPa，膜體壽命可達到2年以上，能將1%～2%的高鹽水濃縮至6%～7%，回收率可達12%以上，海水利用率可達到到60%。高效反滲透(HERO)是在傳統技術工藝參數上的優化創新，可以強化多價離子的深度脫除，有效降低膜污染，同時酸堿適應性較強，且一般廢水中的鹽可以濃縮到7%左右。DTRO/STRO是用以處理含鹽廢水的反滲透膜處理的一種技術，加強前序環節的預處理是保證其穩定運行的關鍵，同時抗污染性能顯著好于常規反滲透膜，但由于DTRO的投資和運行成本相對較高，且依然存在反滲透的膜污染問題，一般使用SWRO預濃縮到6%后，再通過DTRO進行再次濃縮至10%～12%。

3) 蒸發濃縮。蒸發結晶過程一般由蒸發、結晶兩段組成。在現代煤化工產業中，含鹽廢水經過膜濃縮后，含鹽量進一步增加，因此需要進行蒸發濃縮。

目前，使用較多的有MED和MVR。其中，多效蒸發(MED)是通過具有雙側相變傳熱的兩個或多個蒸汽串聯系統，實現多級蒸發的效果。在同樣處理條件下，MED傳熱面積較低，循環量更低，動力消耗也較少。同時，在正常操作情況下，MED操作的靈活性很大，也不會帶來產水率的下降。機械蒸汽再壓縮蒸發(MVR)將自產的二次蒸汽，吸入壓縮機進行壓縮，并作為后續蒸發的熱源，即在整個蒸發處理過程中，無需新增蒸汽。此工藝不需要配置大型冷卻裝置，控制系統相對簡單，占地面積和公共配套較少，對外界能源的需求也少，工程總投資費用也較低，因此應用較多廣泛。

3.2 基于處理回用的含鹽廢水“零排放”處理

含鹽廢水如果直接進入蒸發結晶環節，則能耗和投資較高。然而，含鹽廢水一般富集了脫鹽水站、循環水場等多股水流，如果僅追求降低蒸發結晶的能耗和投資，則會導致另一種情況的出現，即不能完全保證和滿足預處理、濃鹽水處理階段的膜濃縮設備規模和負荷。因此，為了更好的達到處理回用的含鹽廢水“零排放”，綜合考慮能耗、投資、設備規模和負荷等，目前一般采用“初步處理+濃鹽水處理(濃縮)+高濃鹽水處理(蒸發結晶)”的方式，主要工藝流程，如圖2所示。

圖2 基于處理回用的含鹽廢水“零排放”處理工藝流程

其中，初步處理的廢水量一般較大，多采用反滲透處理工藝；初步處理后的濃鹽水的水量仍然較大，需要通過HERO、FO、ED、納濾膜濃縮等進一步的濃縮處理；高濃度鹽水不適宜膜濃縮，主要通過MED、MVR和多效閃蒸(MSF)等蒸發結晶。值得注意的是，高濃鹽水的蒸發結晶過程具有復雜、投資規模大等特點，已經成為制約現代煤化工廢水是否“真正”“零排放”關鍵。

3.3 基于污水處理的含鹽廢水“零排放”處理

蒸發塘是大部分現代煤化工項目所采用的一種含鹽廢水“零排放”處理技術。其中，自然蒸發塘的設計需要綜合考慮多個因素，且需要配套防滲防腐措施。在空間布局上，由于含鹽廢水在經初步處理后，濃縮廢水被送到蒸發塘，故一般需要建設調節池以及廢水蒸發池、濃縮池和結晶池。機械強制蒸發技術是在傳統自然蒸發技術上的改進，可以大幅提高水汽的蒸發速度，進而減少蒸發塘的占地面積。基于污水減排的含鹽廢水“零排放”處理工藝，如圖3所示。

值得注意的是，蒸發塘工藝可以實現廢水的“零排放”，但由于后續廢水基本全部通過蒸發進入大氣，且水資源沒有實現充分回收利用，故仍具有一定的環保困境。

圖3 基于污水減排的含鹽廢水“零排放”處理工藝流程

4 結語

綜上所述，含鹽廢水處理及回用是現代煤化工水系統的終端環節，處理一般包括預處理、深度濃縮、蒸發結晶等步驟。通過對我國多地現代煤化工廢水零排放技術的實踐及文獻調研，主要以環保和節水為目標“回收利用”，以及以環保為目標的“污水處理”兩種路線為主，在極大程度上促進了產業可持續發展。

然而，目前大部分處理工藝技術尚處于試驗示范階段，且通過對不同含鹽廢水“零排放”進行的綜合對比發現，投資、成本、能耗過高是重要共性制約因素，甚至在很多情況下，煤化工項目含鹽廢水的處理成本遠高于節水的直接效益，影響了企業廢水深度處理的積極性。為此，下一步相關人員需要進一步提高對典型煤化工技術的全產業鏈進行生命周期水耗分析，以為煤化工項目廢水零排放及含鹽廢水處理提供參考。