反滲透膜分離技術在含磷污水處理中的應用

陳 誠，周 勇，陳啟林，廖吉星

（貴陽開磷化肥有限公司，貴州 貴陽 551109）

0 引言

磷化工企業磷石膏庫滲濾液主要污染物為總磷和氟，滲濾液不經處理直接外排會對地下水和地表水造成嚴重污染，不符合國家環保政策以及企業綠色、健康發展要求。貴陽開磷化肥有限公司（以下簡稱公司）現有濕法磷酸裝置產能為60 萬t/a，配套建設磷石膏庫自2006 年投用以來，磷石膏堆存量已達3 700 余萬噸，但在實際運行過程中由于磷石膏堆場位于巖溶地層之上，導致下游烏江34 號泉被污染，對烏江水環境造成嚴重威脅。

為更好地對烏江34 號泉進行治理，公司制定了“源頭治理、中途攔截、末端治理”的思路，從源頭對磷石膏庫進行整體性覆膜，中段對受污染地下水進行攔截回抽，末端對烏江34 號泉進行處理。其中中途攔截環節，通過數年對磷石膏庫下游地區水文地質勘查及工程投入，現已形成抽水能力600 m3/h 以上的地下污水攔截抽水井群。攔截的污水總磷質量濃度為500 ～2 500 mg/L，采用常規的石灰中和法處理，不僅石灰消耗量大、成本高，而且副產石灰渣量大，又產生新的環境問題。為此公司成立專項攻關小組對含磷污水處理及磷資源回收利用新工藝進行探索。

反滲透技術是在正常擴散運動基礎上施加外界壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。該工藝較為成熟，在脫鹽水制備、海水淡化、重金屬廢水處理等領域已大規模應用［1］。擬利用反滲透膜分離技術對磷石膏庫下游抽取的地下污水進行磷回收利用試驗，以驗證該工藝在高濃度含磷污水處理中應用的可行性。

1 中試試驗情況

1.1 試驗水樣情況

試驗對象為抽水井群攔截的地下污水，待處理水源的水質情況隨季節存在較大波動。雨季時ρ（總磷）偏低，為500 ～1 500 mg/L，濁度較高，水樣呈淡黃色；旱季時ρ（總磷）較高，為1 500 ～2 500 mg/L，水質清澈，水樣電導率約7 800 μS/cm。試驗水樣還含有氟、硫酸根、鈣、鎂、鈉等其他成分，水質分析數據見表1。

表1 試驗水樣水質分析數據 mg/L

1.2 試驗裝置

中試試驗主要設備為反滲透膜處理系統，采取兩段方式排列，共6支反滲透膜作為試驗膜元件，其中第一段為4支膜元件，第二段為2支膜元件。試驗裝置還配套緩沖槽、供水泵、高壓泵、PP 棉過濾器、保安過濾器等設備。其中考慮到井群抽取地下污水復雜情況，采用5 μm的PP棉濾芯及保安過濾器作為反滲透膜分離系統正常運行的保障措施。

1.3 試驗小結

整個中試試驗分為3個階段。第一階段通過“濃水連續回流”、“濃水不回流”、“分步濃縮”等不同的方式進行操作，將水樣中的總磷濃縮3 ～10倍，驗證反滲透膜分離技術在含磷、氟污水處理中應用的可行性，結果見表2。由表2可知，在運行壓力為1.8 MPa、系統回收率為77.3%時，總磷濃縮效果最好，濃縮倍數達到3.95，中試試驗期間反滲透膜運行平穩可靠，證明反滲透膜分離工藝處理含磷、氟污水可行。

表2 第一階段試驗結果

第二階段通過長周期穩定運行探究反滲透膜分離工藝在長周期運行下膜通量、脫鹽率衰減情況；同時評價膜的抗老化性和耐酸性，評估膜材料的使用壽命，結果見圖1、表3。由圖1 可知，從6 月9日至7 月4 日，總處理水量為950 m3，產水流量衰減率為23.6%（產水流量由21.1 L/min 降至16.1 L/min）。中試過程中經化學清洗后，裝置通量可恢到最初通量，反滲透膜元件經過約70 d 中試運行，關鍵指標脫鹽率未出現衰減情況，膜元件未出現老化、損傷的情況。

圖1 第二階段試驗產水流量情況

表3 第二階段試驗膜組件清洗情況

第三階段根據企業的全廠水平衡，以及各用水點的需求，論證分步濃縮工藝氟化物和總磷的去除效果，以實現處理后淡水水質達到直接排放或者回用作為脫鹽水原料要求，結果見表4。由表4可知，一段、二段反滲透膜系統的產水率分別達到80%、90%，且總產水經檢測ρ（總磷）小于0.5 mg/L，ρ（氟）小于10 mg/L，電導率小于50 μS/cm，相關指標達到《磷肥工業水污染物排放標準》（GB 15580—2011）及《石油化工給水排水水質標準》（SH 3099—2000）給水水質要求。

表4 第三階段處理水質分析結果

2 項目建設

2.1 項目建設工藝優化

在實際生產過程中含磷污水膜法處理過程存在如下問題：①井群抽取地下水泥質及懸浮物較多；②反滲透膜穩定運行條件較為苛刻，易產生不可逆性損壞；③地下水溫受季節影響存在波動。為保障含磷污水處理過程穩定運行，在中試試驗基礎上對相關工藝進行完善，提出“預處理+超濾+兩級反滲透”處理工藝，具體流程見圖2。

圖2 項目建設工藝流程

2.2 技術經濟分析

（1）直接收益：反滲透膜處理工藝可將磷石膏堆存過程產生的含磷污水進行濃縮處理，副產的濃水可直接輸送至濕法磷酸裝置作為洗水利用。以處理能力600 m3/h、污水平均ρ（總磷）2 000 mg/L、年運行時間7 200 h、磷回收率98%、回收過程生產費用按產品價值20%抵扣進行計算，每年回收磷資源產生效益為5 429.93萬元。

處理后淡水電導率≤50 μS/cm、w（固）未檢出，通過簡單的混床樹脂塔處理便可達到工業脫鹽水相關標準，與公司脫鹽水裝置原使用電導率450 μS/cm河流取水相比，淡水部分使用后可大幅降低樹脂用量及樹脂再生藥劑消耗量，脫鹽水裝置運行成本可降低60%以上。以淡水副產量480 m3/h、年運行時間7 200 h、脫鹽水生產成本6 元/m3進行計算，可節約費用1 244.16萬元。

（2）生產成本：裝置裝機負荷為2 420 kW，按照功率因素0.85、電費0.5 元/（kW · h）進行計算，年用電費用為740.52萬元；年助劑消耗費用為691.53 萬元；膜更換維護費用為614.9 萬元；人工成本為242萬元；折舊費用為624.48萬元。年總運行費用為2 913.43萬元。

（3）效益分析：裝置投用后每年可為公司創造效益3 760.66萬元，經濟效益十分顯著。

3 結語

通過長時間的中試試驗，充分驗證了反滲透膜分離技術在含磷污水處理應用的可行性。該工藝不僅將污水中磷資源變廢為寶，同時可大幅度降低公司現有脫鹽水裝置運行成本，在實現污水回收處理的同時為公司創造了顯著的經濟效益，相關經驗在同行業類似裝置上具有較好的推廣價值。