双级反渗透系统在煤化工高盐废水处理中的应用

姜春东，王晓伟，张婷婷

（1.中工沃特尔水技术股份有限公司，北京100082；2.郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001）

某煤化工企业以煤作为生产原料，通过煤气化工艺的合成气制甲醇，甲醇再制成烯烃。在其生产过程中产生了大量的化工生产废水，这些废水经过厂区深度处理后，会产生大量的高盐废水。而煤化工企业周围的生态环境往往比较脆弱，并且企业往往建在水资源短缺的地方。此部分高盐废水若直接排放，将对企业周边环境造成极大的污染和破坏〔1-2〕。因此考虑使用反渗透技术对本部分废水进行处理，同时回用其中大部分水资源〔3〕。由于进水电导率较高，本研究采用双级反渗透系统，在使产品水达到回用水水质要求的同时，浓水可以进入后续蒸发结晶系统进一步处理，不仅满足了企业的用水要求及环保要求，还实现了可观的经济效益。

1 进水水质及处理要求

本项目的高盐废水来源于上游回用装置产生的反渗透浓水，水量100 m3/h，进水pH 7～9、电导率50 000～65 000 μS/cm、硬度 1 000 mg/L、Cl-12 000 mg/L，可以看出：（1）电导率高，且波动范围较大，高浓度的氯离子对金属设备具有较强的腐蚀性。（2）硬度较高，易在膜表面产生无机盐垢，影响系统的运行。本项目要求废水最终产品水的电导率≤500 μS/cm，浓水电导率＞100 000 μS/cm。

2 工艺选择及系统设计

针对进水水质特征及处理要求，本项目采用双级反渗透系统进行减量处理，工艺流程见图1。

图1 工艺流程

高盐废水的硬度较高，而无机盐结垢对反渗透系统的影响很大，若不加以去除将造成反渗透膜严重污堵〔4〕。所以，需先对高盐废水进行软化处理，选用石灰纯碱软化法用于去除水中的硬度，石灰、纯碱与水中的钙、镁反应生成碳酸钙和氢氧化镁沉淀〔5〕，产生的污泥定时排出系统外。反渗透进水一般要求SDI≤5，而高盐废水经过软化澄清后，上清液中仍有部分的悬浮物颗粒，所以需要对澄清池出水进一步处理，从而保证反渗透的正常运行，本项目采用机械过滤器对澄清池产水进一步处理。为了保证进入反渗透的水的硬度达标，本项目设置离子交换系统，进一步去除高盐废水残留的硬度。通过换热器调整进水温度稳定在25～30℃，满足反渗透系统进水水温的要求。在进入一级反渗透装置前，需要投加还原剂（亚硫酸氢钠）和阻垢剂（含磷小分子），还原剂的作用是控制反渗透进水的余氯低于0.1 mg/L，保证反渗透膜不被氧化；阻垢剂的作用是保证反渗透系统正常运行不结垢，确保反渗透系统长期稳定运行〔6〕。为达到设计产水水质要求，一级反渗透浓水作为系统浓水去蒸发结晶系统进一步处理，一级反渗透产水需要进入二级反渗透装置进一步处理，二级反渗透装置浓水回RO给水箱。

双级反渗透系统的设备配置见表1。

表1 双级反渗透设备

3 系统运行情况

本项目高盐废水经前面预处理后，进入双级反渗透系统的水温度 30 ℃、pH 9～10、硬度＜10 mg/L、浊度＜1 NTU、Fe、Al均未检出。

3.1 系统脱盐率及产水水质

在双级反渗透运行期间，系统产水水质良好，各项产水水质指标均达到设计要求，产水作为厂区循环水补水进行回用。其中，一级反渗透装置回收率约50%时，其脱盐率基本维持在97.5%以上；二级反渗透装置回收率约92%时，其脱盐率基本维持在82%以上，监测情况见图2。

图2 双级反渗透系统脱盐率变化情况

由图2可以看出，一级RO的脱盐率随运行时间的增加略有下降。这一方面是由于进水水质的波动及运行控制造成的；另一方面是膜元件的局部损坏造成的，在日常监测过程中陆续发现有几只膜壳产水电导率异常升高，应是保安过滤器泄漏造成的膜元件损伤。

双级反渗透的产水电导率基本维持在200 μS/cm以下，监测情况见图3。

图3 系统产水电导率变化情况

由图2、图3可以看出，二级反渗透相对于一级反渗透装置的整体脱盐率下降较小，系统的产水电导率基本可以维持在200 μS/cm以下，说明本项目采用双级反渗透系统处理高盐废水可以保证系统产水的总体稳定性。运行时二级反渗透浓水电导率在10 000～12 000 μS/cm，相较于一级RO进水电导率低很多，回流后对系统运行影响较小。

3.2 系统浓水水质及压强

在双级反渗透运行期间，一级反渗透系统压强在6.8～7.2 MPa，系统浓水的电导率较稳定，基本维持在100 000 μS/cm以上，系统产水满足系统处理要求，实现了高盐废水处理系统浓缩和回用的要求，监测结果见图4。

图4 系统浓水电导率及系统压强变化情况

由图4可以看出，系统压强总体不断变化，这是由于随着运行时间的增加，系统内积聚的污染物质增多导致，通过化学清洗后，系统压强会随之降低。在实际过程中也应保证前处理的稳定，以免膜元件受到污染。

3.3 系统清洗情况

在正常运行期间，反渗透膜元件会受到微生物、胶体颗粒和不溶性有机物质的污染。运行过程中这些污染物沉积在膜表面，导致进水和浓水间的压差上升，当上升超过设计值时，需要对膜元件进行清洗〔7〕。清洗时需要针对上述污染物选择合适的清洗药剂，本项目采用酸性清洗药剂和碱性清洗药剂对反渗透膜元件进行清洗，并根据实际污染情况对反渗透装置进行离线循环及浸泡，并随时观察清洗液的情况，直至达到清洗要求。首先，以较低流量的清洗液置换系统内的原水，待完成后，恒定清洗液温度在30℃，以较低流量在系统内循环，循环1 h后，浸泡1 h。其次，再以较高流量的清洗液在系统内循环1 h，冲洗清洗下来的污染物。最后，用合格的产品水冲洗系统内的清洗液，备用。其中，酸性清洗药剂是质量分数为0.2%的盐酸；碱性清洗药剂是质量分数为0.1%的NaOH和0.02%的硅酸钠。化学清洗完后用RO产水进行冲洗，至清洗液完全被冲洗出为止。

3.4 运行能耗

对双级反渗透系统运行电能、药剂消耗进行核算，其中用电消耗是运行能耗中的主要部分，药剂消耗主要是还原剂和阻垢剂，均按3 mg/L投加进行核算；还原剂按1元/kg、阻垢剂按26元/kg、电费按0.5元/（kW·h）核算时，系统运行费用约在1.8元/t。

4 结论

通过双级反渗透系统在煤化工高盐废水处理中的成功应用，可以看出双级反渗透系统不但可以使系统产水达到设计要求，而且可以很好地保证高盐水处理系统产水水质的稳定性，更加有利于实现系统产水的循环复用，为企业节省更多水资源。双级反渗透系统作为高盐废水处理中的浓缩回用单元，其稳定的浓水指标对全厂的水处理系统起到重要作用，是实现全厂废水处理要求，乃至到达零排放要求的重要环节，为企业的环保需求做出了贡献。