化工污水電滲析實驗研究及工藝設(shè)計方案的確定

楊海燕 周文凡

（1. 中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆 克拉瑪依 833699；2. 中國石油獨山子石化分公司科技信息處，新疆 克拉瑪依 833699）

0 引言

本石化公司凈化水聯(lián)合車間污水處理系統(tǒng)劃分為含鹽污水系統(tǒng)、含油污水系統(tǒng)和清凈廢水系統(tǒng)，總設(shè)計規(guī)模1800m3· h-1，其中含鹽污水600m3· h-1，含油污水600m3· h-1，清凈廢水600m3· h-1。

超濾-反滲透雙膜工藝用于公司清凈廢水系統(tǒng)，反滲透因為高壓運行導(dǎo)致能耗較高，且反滲透工藝膜污染問題嚴(yán)重、水回收率較低，僅在50%左右。加之目前反滲透產(chǎn)水用作循環(huán)水補充水，對其水質(zhì)要求大為降低，可以考慮采用電滲析脫鹽工藝代替反滲透工藝，以降低能耗，提高產(chǎn)水率，節(jié)約運行成本；含鹽廢水經(jīng)提標(biāo)處理后達(dá)標(biāo)外排，排放量高達(dá)900m3· h-1，其水質(zhì)干凈，只是電導(dǎo)率較高，若能降低其電導(dǎo)率到可回用至循環(huán)水的水平，則可以大大節(jié)約新水用量，降低運行成本。為此，開展清凈廢水系統(tǒng)超濾產(chǎn)水和含鹽污水提標(biāo)外排水的電滲析實驗，考察電滲析工藝對超濾產(chǎn)水的脫鹽效果，并根據(jù)試驗結(jié)果，制定電滲析工藝設(shè)計方案。

1 清凈廢水系統(tǒng)超濾產(chǎn)水電滲析實驗

測量不同進水流量（濃水固定100L · h-1，淡水100、200、300、400、500L · h-1）及不同電壓（40V、45V、50V、55V、60V）下產(chǎn)水的電導(dǎo)率，探索電滲析脫鹽率與電壓、進水流量之間的關(guān)系，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同操作條件下水質(zhì)測量與耗能

綜合脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設(shè)備處理效率、濃水電導(dǎo)率等指標(biāo)，選擇60V操作電壓、淡水流量300L · h-1、濃水流量100L · h-1作為運行條件，連續(xù)運行10h，從圖1可以看出，由于超濾產(chǎn)水水質(zhì)較好，電滲析運行過程中沒有明顯的膜污染，因而脫鹽率效果沒有明顯波動。

圖1 超濾產(chǎn)水電滲析工藝電導(dǎo)率隨運行時間變化關(guān)系圖

測量了不同運行條件下，COD值的變化情況，如表2所示?？梢钥闯?，與中水電滲析過程類似，超濾產(chǎn)水經(jīng)過電滲析處理后，其淡水COD下降，濃水COD上升。

表2 不同操作條件下COD值變化情況

調(diào)研電滲析與反滲透技術(shù)的建設(shè)投資運行成本，主要包括電力消耗、化學(xué)藥品消耗與固定資產(chǎn)折舊費。

（1）化學(xué)品消耗方面，電滲析0.13元 · 噸-1，反滲透0.4元 · 噸-1；

（2）電力消耗方面，電滲析0.50元 · 噸-1，反滲透2.3元 · 噸-1；

（3）固定資產(chǎn)折舊費方面，電滲析0.98元 ·噸-1，反滲透1.01元 · 噸-1。

可見，電滲析技術(shù)在電力消耗方面遠(yuǎn)低于高壓運行的反滲透技術(shù)，因而運行成本更低。

2 含鹽污水提標(biāo)外排水電滲析實驗

測量不同進水流量（濃水固定100 L · h-1，淡水100、200、300、400、500L · h-1）及不同電壓（40V、45V、50V、55V、60V）下產(chǎn)水的電導(dǎo)率，探索電滲析脫鹽率與電壓、進水流量之間的關(guān)系，測量數(shù)據(jù)如表3所示?？梢钥闯?，電滲析工藝對提標(biāo)外排水具有明顯的脫鹽效果，綜合考慮脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設(shè)備處理效率、濃水電導(dǎo)率等指標(biāo)，選擇60V操作電壓、淡水流量400L · h-1、濃水流量100L · h-1作為最優(yōu)條件。在此運行條件下，原水經(jīng)過一次電滲析處理后，電導(dǎo)率從3418μs · cm-1降至1574μs · cm-1，脫鹽率達(dá)53.95%；產(chǎn)水經(jīng)過二次電滲析處理后，電導(dǎo)率降至745μs · cm-1，脫鹽率達(dá)52.67%；二級串聯(lián)電滲析總的脫鹽率為78.20%，總的水回收率為64.0%。

表3 不同操作條件下水質(zhì)測量與耗能

表4 進水水質(zhì)指標(biāo)

表5 出水水質(zhì)指標(biāo)

表6 清凈廢水回用循環(huán)水設(shè)備配置表

表7 進水水質(zhì)指標(biāo)

表8 出水水質(zhì)指標(biāo)

同時，還測量了60V操作電壓、淡水流量400L · h-1、濃水流量100L · h-1運行條件下，COD值的變化情況，原水經(jīng)過一次電滲析處理后，淡水COD從原水的30.30mg · L-1降至12.99mg · L-1，濃水COD升至216.45mg · L-1；淡水經(jīng)過二次電滲析處理后，COD進一步降至2.16mg · L-1，二次電滲析濃水的COD為71.43 mg · L-1。

從表3可以看出，60V操作電壓、淡水流量100L · h-1、濃水流量100L · h-1運行條件下，電導(dǎo)率降至537μs · cm-1，脫鹽率高達(dá)84.29%。此運行條件下，濃水COD升至216.45 mg · L-1。

3 電滲析工藝設(shè)計方案

針對中水水質(zhì)控制及脫鹽單元的運行問題，開展清凈廢水系統(tǒng)超濾產(chǎn)水、含鹽污水提標(biāo)外排水的電滲析試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果，制定了電滲析工藝設(shè)計方案，建議在凈化水聯(lián)合車間的污水處理系統(tǒng)建立配套規(guī)模的電滲析工藝單元裝置。

3.1 清凈廢水電滲析處理工藝

3.1.1 設(shè)計處理規(guī)模

本項目主要用于處理清凈廢水（超濾單元出水），處理規(guī)模如下：

（1）處理規(guī)模:600m3· h-1；

（2）最大水量:600m3· h-1；

（3）實際運行水量:400m3· h-1具體設(shè)計參數(shù)還需借助專業(yè)公司根據(jù)生產(chǎn)實際情況進行規(guī)劃設(shè)計。

3.1.2 設(shè)計進水水質(zhì)

3.1.3 設(shè)計出水水質(zhì)指標(biāo)

3.1.4 工藝流程描述

如圖2所示，超濾產(chǎn)水儲罐通過自吸污水泵提升至原水箱，再通過水泵分三股水進入電滲析單元，通過調(diào)節(jié)電滲析操作電壓、進水流量等參數(shù)，使污水達(dá)到穩(wěn)定的回收率，最后又分三股水排出電滲析單元，其中極水循環(huán)回到原水箱，脫鹽水外送至循環(huán)水，濃水回流至含鹽污水純氧曝氣池前端經(jīng)處理合格后外排。

圖2 超濾產(chǎn)水電滲析工藝參考流程圖

3.1.5 具體工藝參數(shù)

（1）電滲析器：可用800×1600mm離子交換膜。以常規(guī)的異相離子交換膜為膜材料，300對離子交換膜，采用二級兩段方式，組裝為電滲析膜堆。鈦網(wǎng)電極，PP隔板大水流通道防止污染物沉積。單臺處理量為40m3· h-1，功率為5kW，產(chǎn)出脫鹽凈化水是32～35m3· h-1，濃水為5～8m3· h-1,15臺，并聯(lián)排列，清凈廢水處理量達(dá)到600m3· h-1。整體上水回收率達(dá)到75%左右，脫鹽水的電導(dǎo)率小于500μS ·cm-1，達(dá)到循環(huán)水使用的水質(zhì)要求，外排進入循環(huán)水池；濃水的電導(dǎo)率小于3000～3500μS · cm-1，COD小于60mg · L-1，濃水符合外排的污水水質(zhì)要求；

（2）管道：PVC管道，根據(jù)實際工程設(shè)計配備；

（3）主要設(shè)備配置：

①廠房：40×10m；

②電源：380V工業(yè)用電；

③功率：電滲析為5kW×15=75kW。三臺水泵，揚程為20m。水泵總功率為20kW×3= 60kW?？偣β蕿?35kW；

（4）電滲析操作參數(shù)：

① 操作電壓60V；

② 淡水流量300L · h-1；

③ 濃水流量100L · h-1；

④ 采用自動頻繁（2小時每次）倒電極操作，防止污垢（主要考慮硅酸鹽垢）的生成，提高電滲析設(shè)備運行穩(wěn)定性。

3.2 提標(biāo)外排污水電滲析處理工藝

3.2.1 設(shè)計處理規(guī)模

本項目主要用于處理清凈廢水（提標(biāo)外排污水），處理規(guī)模如下：

（1）處理規(guī)模：1000m3· h-1；

（2）最大水量：1000m3· h-1；

（3）實際運行水量：900m3· h-1。

具體設(shè)計參數(shù)還需借助專業(yè)公司根據(jù)生產(chǎn)實際情況進行規(guī)劃設(shè)計。

3.2.2 設(shè)計進水水質(zhì)

3.2.3 設(shè)計出水水質(zhì)指

3.2.4 工藝流程描述

如圖3所示，提標(biāo)外排監(jiān)護池污水通過自吸污水泵提升，分三股水進入一級電滲析單元，通過調(diào)節(jié)電滲析操作電壓、進水流量等參數(shù)，使污水達(dá)到穩(wěn)定的回收率，然后又分三股水排出一級電滲析單元，其中一級極水循環(huán)回到原水箱，一級脫鹽水進入二級電滲析單元，最后分三股水排出二級電滲析單元，其中二級極水循環(huán)回到原水箱，二級脫鹽水達(dá)到循環(huán)水使用的水質(zhì)要求，外送至循環(huán)水，一級、二級濃水均回流至含鹽污水純氧曝氣池前端經(jīng)處理合格后外排。

圖3 提標(biāo)外排污水電滲析工藝參考流程圖

3.2.5 具體工藝參數(shù)

（1）電滲析器：可用800×1600mm離子交換膜。以常規(guī)的異相離子交換膜為膜材料，300對離子交換膜，采用二級兩段方式，組裝為電滲析膜堆。鈦網(wǎng)電極，PP隔板大水流通道防止污染物沉積。單臺處理量為40m3· h-1，功率為10kW，產(chǎn)出脫鹽凈化水是20～25m3· h-1，濃水為15～10m3· h-1。50臺，25臺并聯(lián)排列，分兩級，清凈廢水處理量達(dá)到600m3· h-1。兩級電滲析整體污水回收率達(dá)到64%左右，二級脫鹽水的電導(dǎo)率小于700μS · cm-1，達(dá)到循環(huán)水使用的水質(zhì)要求，外排進入循環(huán)水池；濃水的電導(dǎo)率大于8000μS · cm-1，COD大于200mg · L-1，需重新評估該股污水是去堿渣生化處理裝置還是直接回流至含鹽污水純氧曝氣池前端經(jīng)處理合格后外排；

（2）袋式過濾器：25臺。考慮到中水的懸浮物較多，每臺一級電滲析器配置一臺處理量為40m3· h-1的5μm袋式過濾器，凈化水質(zhì)后，進入電滲析設(shè)備；

（3）管道：PVC管道，根據(jù)實際工程設(shè)計配備；

（4）主要設(shè)備配置及電滲析操作參數(shù)：

①廠房：40×10m；

②電源：380V工業(yè)用電；

③功率：電滲析為10kW×50=500kW。三臺水泵，揚程為20m。水泵總功率為20kW×3=60kW?？偣β蕿?60kW；

④操作電壓60V；

⑤淡水流量400L · h-1；

⑥濃水流量100L · h-1；

⑦采用自動頻繁（2小時每次）倒電極操作，防止污垢（主要考慮硅酸鹽垢）的生成，提高電滲析設(shè)備運行穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

（1）超濾產(chǎn)水不經(jīng)過反滲透工藝，直接采用電滲析工藝脫鹽，控制水回收率為75%的情況下，不僅可將電導(dǎo)率降至可回用到循環(huán)水的水平（控制在500μS · cm-1以下），還能進一步降低COD，且噸水能耗僅為0.113KW·h，可見電滲析技術(shù)較反滲透膜的運行成本更低；

（2） 因含鹽廢水經(jīng)提標(biāo)處理后達(dá)標(biāo)外排，其水質(zhì)較好，只是電導(dǎo)率較高，通過串二級電滲析處理后，淡水電導(dǎo)率可降至745μS · cm-1，COD進一步降至2.16 mg · L-1，總的水回收率高達(dá)64.0%，其淡水水質(zhì)達(dá)到回用循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)；

（3）通過開展超濾產(chǎn)水、提標(biāo)外排污水的電滲析試驗及效果分析，并根據(jù)公司實際情況，制定了凈化水聯(lián)合車間電滲析工藝的設(shè)計方案。