煤化工廢水零排放系統反滲透問題分析與優(yōu)化

朱宏凱 李遠 宋克勇

摘 要：現階段，社會進步迅速，我國的化工工程建設的發(fā)展也有了提高。由于大型煤化工項目耗水量大、廢水水質復雜、含鹽量高，因此實現廢水零排放成為煤化工產業(yè)發(fā)展的必然條件，近幾年反滲透水處理技術已經在化工、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得到廣泛應用.采用反滲透技術對某大型煤制烯烴項目全廠的廢水進行濃縮減量與回用后，通過蒸發(fā)結晶工藝對高含鹽廢水繼續(xù)進行濃縮以實現廢水全部回收利用.該項目已經運行了4年多，本文從水質、工藝設計等各個環(huán)節(jié)對反滲透系統運行中的問題進行分析，并尋求解決辦法.

關鍵詞：煤化工廢水;零排放系統;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)展現代煤化工產業(yè)勢在必行。然而，煤化工產業(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)水技術政策大綱》，對環(huán)保要求越來越高。為了實現煤化工工業(yè)廢水“零排放”，必須提高廢水濃縮倍率。煤化工廢水水質受工藝影響較大，特點是化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和氨氮含量高。

1膜濃縮技術

反滲透裝置由于占地面積小、能耗低、自動化程度高等特點，已經被廣泛應用于煤化工廢水處理工藝中。但是由于反滲透膜對進水水質要求較高，通常在反滲透膜進水前增加超濾、保安過濾器和自清洗過濾器等膜保護設備，截留微細顆粒物質，避免濾膜被大顆粒物質堵塞或劃傷。近年來，隨著反滲透技術的迅速發(fā)展，膜濃縮設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，濃鹽水經濃縮后實現了減量化，濃水TDS一般在50000mg/L左右，系統脫鹽率≥98%，回收率≥80%;反滲透的產水已經能達到初級再生水水質指標。

1.2高壓反滲透

由于普通反滲透膜運行時所能承受的壓力一般為25～40bar，為了進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的效率，必須加強相應膜組的進水壓力。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120bar，高壓反滲透系統回收率≥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構進行研究并建立數學模型，得到影響系統的因素為原水濁度、等效高度差（即膜組壓降）、控制閥開度，并且證實產水流量加速曲線是正當收斂的，在14s時，系統產水最終達到穩(wěn)定。楊芳軍等[10]采用高效反滲透技術（High Efficiency Reverse Osmosis，HERO）將煤化工濃鹽水TDS濃縮至60000mg/L，同時HERO的進水pH調至10以上，提高了硅的結垢極限，避免了微生物和有機物黏附于膜上。

2化工企業(yè)污水處理工藝技術

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

2.1有機廢水的處理技術

對于有機物含量高的煤化工有機廢水要先進行有機物的脫除，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，引起水體水質的惡化。為了避免水體污染，就要對這些有機物進行生物化學方式的處理，首先采用絮凝沉降的有機物處理方法進行有機物吸附，這其中絮凝劑要根據廢水的實際情況選取合適的產品。絮凝沉降是對廢水中的物質進行沉降，將其中所不需要的有機物產品進行絮凝后除去，由于有機物廢水還含有一部分溶解氧存在，所以要加入氧化劑進行有機物氧化，實現對有機物活性的降低，在進入之后的沉降過程時，可以對廢水達到初步處理的目的，減少之后絮凝劑的用量以及沉降過程成本的消耗。隨后進入反滲透設備進行處理，進一步地降低有機物及雜質含量，使之滿足最終冷卻水的標準進入生產工藝流程內循環(huán)使用。最后是在冷凝過程中發(fā)揮循環(huán)水的作用，提高生產過程的使用效率，加強設備的環(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消耗成本。

2.2含鹽廢水的處理技術

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的技術來實現鹽離子的去除，最重要的方式就是使用膜處理技術。基本原理是將鹽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)結晶法進行結晶處理，基本原理就是在不同的沸點下，按照不同鹽類的性質不同進行分別提取，并且按照不同鹽離子的性質進行相應的分類儲存。在這個過程內實現了各個物質的充分利用，隨后將蒸發(fā)結晶過后的蒸餾水通過冷凝，再進入循環(huán)冷水系統作為冷卻水再利用，在這個過程中提高了廢水的使用效率，而如今的蒸發(fā)結晶系統不再是整體共同工作，蒸發(fā)過程和結晶過程是分別工作。目前較多企業(yè)采用了膜蒸發(fā)技術，是將廢水先進入蒸發(fā)室內，隨后進行加熱過程。這種工藝可以在每個換熱管中均勻形成一層膜，液體在膜內進行流動就達到了蒸發(fā)的目的;同時在結晶過程中，運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，就實現了含鹽廢水的零排放，同時促進鹽類物質充分再利用，就能達到相應的質量要求以及廢水排放標準。在煤化工企業(yè)的廢水處理中，不僅包含了有機廢水的處理系統，還包括含鹽廢水的處理設備，除此以外還包括了部分廢水處理輔助設備如離心機、干燥機。在這些設備的共同作用下，就可以實現煤化工廢水的零排放工藝。

3同類項目反滲透裝置設計建議

3.1合理設置段間增壓泵

進水含鹽量低于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，段間不設增壓泵，此時反滲透系統內進水端凈驅動壓力是濃水端的2～2.5倍.隨著進水含鹽量升高，反滲透系統進水端與濃水端的凈驅動壓力差距加大，造成兩段產水不平衡現象嚴重，本項目曾出現中水反滲透二段產水量占總產水量不足10%的情況.關于在何種條件下需要設置段間增壓泵目前尚無明確設計規(guī)范.根據經驗，在系統回收率≥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）當進水TDS≥2000mg/L時，一二段之間應設置段間增壓泵;（2）當進水TDS1400～2000mg/L時，根據情況決定是否設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計軟件研究發(fā)現，設計軟件對報警的設定條件主要是單支膜元件的流量限制、回收率限制，而沒考慮實際運行工況中溫度、含鹽量都是變化的情況.因此在設計時應考慮水源的自身特性、運行工況與膜元件預期使用壽命，可以允許某些情況下的報警，但這需要設計人員具有豐富的現場經驗與對設計軟件的深刻了解。

3.2合理選擇壓力容器

中水、高鹽水水質差，水的濃差極化情況對產水水質影響大且容易發(fā)生結垢、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，以減少壓力容器數量，提高膜元件表面水的流速。

3.3合理控制進水溫度

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

結語

在煤化工企業(yè)的實際生產中，對于其化學廢水的處理日漸受到相關部門和技術人員的重視，使用零排放工藝技術，做到對煤化工廢水污水的回收和再利用，將所排放污水進行處理達標后排出生產環(huán)境，實現煤化工企業(yè)的環(huán)保生產，推進國家節(jié)能減排目標的實施。

參考文獻

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