煤化工浓盐水零排放处理工艺设计与运行分析

姜文佳，李臻发，梁纯志，滕洪辉

（1.吉林师范大学环境科学与工程学院，吉林四平 136000；2.内蒙古康乃尔化学工业有限公司，内蒙古通辽 029100；3.吉林日报社，吉林长春 130033）

0 引 言

目前，煤化工在我国煤炭富集地区得到了蓬勃发展，带来可观经济效益的同时环境问题也无法避免［1］。由于我国煤炭富集地区多为水资源匮乏及生态环境脆弱地区，近几年在煤化工项目的审批上，国家环保部门对煤化工企业的废水处理及回用后所产生的浓盐水处理提出了更加严格的要求及条件。也就是说，一个处理效果好、运行稳定性高、运行费用低的废水浓盐水零排放处理技术，已经成为煤化工项目审批的必要条件及企业发展的自身需求［2-5］。同时，这一趋势也吸引了大量科研人员从事这方面的研究，开发出多种煤化工废水零排放工艺技术，且部分研究成果已经应用于实际工程［6-12］。众所周知，实验室研究成果转化为实际应用还有许多工程技术难题需要攻克，实际运行过程中也会有各种各样的问题需要解决，然而目前关于煤化工废水零排放工程运行分析、研究的报道却很少，对于工程技术问题的探讨缺失制约了煤化工废水处理技术的发展。以下针对某煤化工企业浓盐水的水质情况设计了废水零排放工艺，并对工程运行情况进行分析与探讨，以期为相关科研人员和工程技术人员提供一点参考。

1 废水来源及水质

所设计的浓盐水零排放处理工艺要实现对现有2个回用水站所排浓盐水的回收处理，处理后的淡水回收利用，进一步提浓的污水蒸发结晶，得到的固盐外运。

2个回用水站来水如图1所示。回用水站Ⅰ来水主要是各生产装置产生的工艺废水、生活污水、净化水站污水等经厂区污水处理站处理后的水，回用水站Ⅰ排放的污水浓盐水量为60m3／h、含盐量为10000～12000mg／L；回用水站Ⅱ来水主要是脱盐水站、空分热电循环水站的外排清净下水，回用水站Ⅱ排放的清净下水浓盐水量为120m3／h、含盐量为8000～10000mg／L。浓盐水水质分析数据见表1。以上来水经过回用水站处理后，回用水作为循环水站补充水，浓盐水则进入零排放装置处理。

图1 回用水站来水示意图

表1 浓盐水水质分析数据

由表1可以看出，污水浓盐水及清净下水浓盐水具有以下特点。

（1）浓盐水T D S含量高。水中的T D S主要来自原水中的溶解性固体、处理过程中添加的药剂等，在脱盐水装置以及循环水装置对原水中的盐分进行浓缩后，回用水装置脱盐的过程中又对盐分进行进一步浓缩，使浓盐水的T D S较高。浓盐水处理的目的是对浓盐水中T D S进行脱除，从而回收淡水资源。过高的T D S将对水的回收率及装置的长周期运行产生影响。

（2）结垢性物质含量高。活性硅、硬度、碱度均表征着结垢性物质的含量，浓盐水处理过程中，结垢性物质在一定条件下会以结垢的形式从水中析出，附着在设备的内壁，影响系统的性能，增加系统清洗、再生的频次，缩短膜元件的寿命，增加运行成本。通过比对多家煤化工企业浓盐水零排放装置的运行经验，水中结垢性物质的去除是浓盐水零排放装置后续设备能否稳定运行的关键，因此，在预处理阶段要尽量将水中的结垢性物质予以去除。

2 煤化工浓盐水零排放工艺设计

2.1 设计思路

从浓盐水水质特点分析，浓盐水直接回用无法满足生产要求，所以浓盐水回收处理工艺的设计目的以及处理重点都是脱盐；同时，浓盐水的硬度、碱度均较高，脱盐处理前必须增设预处理系统，以去除水中的硬度、碱度。基于以上分析，浓盐水零排放工艺流程初步确定为 “预处理+脱盐处理+蒸发结晶”。

由于清净下水浓盐水及污水浓盐水最终产生的结晶盐分别属于普通固废及危废，因此这2股浓盐水需分别进行处理，以进一步降低后续固废处置费用，提高可回收利用价值；但与此同时，污水浓盐水的高压反渗透系统 （RO）与清净下水浓盐水的高压反渗透系统 （RO）之间可增设连通管，这样当其中任何一套高压反渗透系统需要化学清洗或检修时，均可投用备用系统，即2套高压反渗透系统互为备用。

据处理阶段不同，整个工艺系统设计为预处理系统、膜浓缩系统和蒸发结晶系统。预处理系统选用石灰软化及弱酸阳床，主要用于去除浓盐水中的Ca2+、mg2+等结垢性离子；膜浓缩系统主要是利用两级高压反渗透膜对浓盐水进行进一步浓缩；蒸发结晶系统用于处理膜浓缩后产生的高浓盐水。

2.2 工艺流程

通过对浓盐水的水质分析并考虑装置运行的稳定性，最终明确该企业浓盐水处理工艺如图2、图3所示。回用水站产生的污水浓盐水及清净下水浓盐水分2套系统单独进行处理，使用石灰软化及两级弱酸阳床减小水的硬度，经过弱酸阳床后的产水硬度＜1mg／L；去除硬度后的浓盐水进行一级高压反渗透脱盐，一级高压反渗透水的利用率为65%～75%，浓缩后的一级高压RO浓水进入二级高压反渗透处理装置，二级高压反渗透水的利用率为55%～65%，反渗透脱盐过程中产生的淡水作为回用水回用；二级高压反渗透浓水中的盐浓度为11.4%～13.7%，进入多效蒸发结晶系统 （采用三效强制循环闪蒸结晶工艺），在三效结晶器中逐步浓缩并在最后一效结晶器中结晶析出固体盐，前面一效蒸发结晶器产生的二次蒸汽依次进入下一效结晶器作为热源；多效蒸发处理后的盐浆液中盐类物质含量为40%～45%，经离心结晶后得到废盐渣，废盐渣含水率≤20%，分别作为危废及普通固废单独处理；多效蒸发产水作为回用水回用。

图2 污水浓盐水零排放工艺流程框图

图3 清净下水浓盐水零排放工艺流程框图

3 运行情况

3.1 污水浓盐水零排放工艺运行情况

污水浓盐水处理水量为60m3／h，连续450d的运行数据表明：污水浓盐水经过一级高压反渗透处理后，产生的淡水量约为39m3／h，淡水回收使用，水的利用率约为65%，浓缩后产生的一级高压RO浓水约为21m3／h；约21m3／h的RO浓水进入二级高压反渗透处理系统，经处理后产生的淡水量约为11.5m3／h，淡水回收使用，水的利用率约为55%，浓缩后产生的二级高压RO浓水约为9.5m3／h。

可以看出：单级反渗透处理装置的淡水回收率是偏低的 （一级约65%、二级约55%），这主要是由于污水浓盐水中的有机污染物及盐含量较高，影响了反渗透产水率；而所设计的零排放工艺将软化技术和两级高压反渗透串联起来，使经过两级高压反渗透装置处理后的污水浓盐水回收的淡水量达到50.5m3／h，总的淡水回收率达到84.2%。但该项目的投资和运行成本相对较高，建议后续工程改进时增加有机物去除工艺，以进一步提高淡水回收率。

污水浓盐水含盐量为10000～12000mg／L，经过两级反渗透系统处理后，浓水中的盐类物质含量约为13.7%，约9.5m3／h的二级高压RO浓水经过多效蒸发结晶后，产生的固体结晶盐约为722k g／h，最终作为危废外运处理。

3.2 清净下水浓盐水零排放工艺运行情况

清净下水浓盐水处理水量为120m3／h，经过一级高压反渗透处理后，产生的淡水量约为90m3／h，淡水回收使用，水的利用率约为75%，浓缩后产生的一级高压反渗透浓水约为30m3／h；约30m3／h的浓水进入二级高压反渗透处理系统，产生的淡水量约为19.5m3／h，淡水回收使用，水的利用率约为65%，浓缩后产生的二级高压反渗透浓水约为10.5m3／h。

可以看出：清净下水浓盐水处理系统回收淡水量约为 109.5m3／h，总的淡水回收率达91.25%，与污水浓盐水零排放工艺相比，清净下水浓盐水零排放工艺之淡水回收率显著提高。污水浓盐水与清净下水浓盐水处理工艺完全相同，淡水回收率的差异主要在于所处理浓盐水水质不同：污水浓盐水中有机物和易结垢硫酸盐、重碳酸盐含量较高，经过软化处理后，其与清净下水浓盐水的硫酸盐、重碳酸盐含量基本相同，主要差别在于进入高压反渗透系统水中的有机物含量，有机物含量高易引发膜污染，导致产水率偏低。运行实践再一次证明，废水中的有机物含量对反渗透膜处理系统的影响明显，因而煤化工废水零排放工艺中要考虑增设有机物去除工艺系统。

清净下水浓盐水含盐量为8000～10000 mg／L，经过两级反渗透系统处理后，浓水中的盐类物质含量约为11.4%，约10.5m3／h的二级高压反渗透浓水经过多效蒸发结晶后，产生的固体结晶盐约为1197k g／h，最终作为普通固废外运处理，有条件的企业也可将其加工为融雪剂等予以回收利用。

4 浓盐水零排放工艺运行成本分析

污水浓盐水和清净下水浓盐水的处理工艺相同，2种工艺系统运行成本的对比见表2。可以看出：2种浓盐水零排放工艺系统总运行成本和单项运行成本占比基本相同；主要运行成本是能耗 （电耗和蒸汽耗），约占总运行成本的50%；其次是间接成本 （包括财务、折旧和检修费用），约占总运行成本的30%；药剂、人工等直接成本仅约为总运行成本的20%。从各类成本所占比例来看，建议制定科学、规范的工艺运行管理流程，如此可进一步降低总运行成本。

表2 2种浓盐水零排放工艺系统运行成本对比 元／m3

5 结 语

（1）据浓盐水水质特点，零排放工艺首先需对2个回用水站所排放浓盐水进行预处理，利用石灰软化以及弱酸阳床去除水中的绝大部分易结垢离子，使进入多效蒸发设备的结垢性离子含量降低，以提高其使用寿命，降低其运行风险。

（2）污水浓盐水的高压反渗透系统 （RO）与清净下水浓盐水的高压反渗透系统 （RO）系统之间加设连通管线互为备用的设计，既能保证系统长周期、稳定运行，又可控制投资规模，通过两级高压反渗透浓缩除盐后，总的淡水回收率分别可达84.2%、91.25%。

（3）实践表明，本浓盐水零排放工艺能够达到预期的设计目标，安全环保风险显著降低，淡水回收率较高，总运行成本较低，能够满足煤化工浓盐水零排放的要求。但是，因为废水中有机物含量的差异导致污水浓盐水的淡水回收率低于清净下水浓盐水的回收率，建议在煤化工浓盐水零排放工艺中增设有机物去除工序，以进一步提高淡水回收率，延长反渗透膜的使用寿命。