大型磷化工基地水资源梯级利用探讨

刘记华，邹文敏，李建雄，赵 军，杨培发

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

水是生命之源、生产之要、生态之基。人多水少、水资源时空分布不均匀是我国的基本国情，我国人均水资源量只有2 100m3，仅为世界人均水平的28%，全国年平均缺水量超过500亿m3。水资源短缺、水污染严重、水生态恶化等问题是工业绿色可持续发展的重要制约因素。

工信部《工业绿色发展规划(2016—2020年)》明确提出了“十三五”时期工业节水三大重点方向：一是强化高耗水行业节水管理和技术改造，二是推进水资源循环利用和废水处理回用，三是加快中水、再生水、海水等非常规水资源的开发利用。

随着生产工艺和装备制造能力的不断进步，为提高生产装置的技术水平和产品的竞争力，发挥规模效应，磷化工行业生产装置规模持续扩大，磷化工基地(园区)总用水量和废水排放量持续上升。未来几年，随着国家的环保形势越来越严峻，相应的监管也会越来越严格。磷化工行业存在的环保、安全等问题，成为了决定企业生死存亡的关键所在，如何提升行业整体技术水平、实现节能减排和清洁生产，成为磷化工行业供给侧结构性改革的方向之一。因此，探讨如何实现大型磷化工基地水资源梯级利用和废水零排放显得尤为重要。

根据当前产业政策导向，大型磷化工企业转向采用半水-二水湿法磷酸技术，辅以湿法磷酸净化为核心的磷酸梯级利用，生产精细磷酸盐、高端水溶肥等高附加值和多元化的产品[1]，典型磷化工基地生产装置组成见表1。

表1 典型磷化工基地(园区)生产装置组成

本文以上述生产装置以及配套的公用工程作为典型磷化工基地组成，对大型磷化工基地水资源梯级资源化利用进行分析。

1 典型大型磷化工基地水资源利用现状

1.1 典型磷化工基地各装置水资源利用现状

当前，我国磷化工企业在水资源利用上普遍存在着两个问题：一方面，磷化工新鲜水使用不合理、含磷废水外排严重，造成水耗、磷耗高的问题，增加企业生产成本；另一方面，磷化工企业在生产中会排出大量含磷、硫、氯、砷、碱等有害物质的废水，这些有害物质一旦进入人体，对肝脏等人体器官危害极大。根据相关资料显示，我国磷化工企业每年所排放废水达到数千万吨，直接危害人们的生存环境与身体健康[2]。

随着循环经济理念的不断深入和国家节水和环保要求的提高，目前，通过装置内循环利用，部分生产装置在正常生产时无废水排放，具体措施主要有：①磷酸装置和湿法净化磷酸装置。在磷酸装置和湿法净化磷酸装置正常生产时，装置导淋液、设备和管道清洗排放液被收集到地下槽内，生产时逐步返回反应槽，在正常生产时磷酸装置和湿法净化磷酸装置无废水排放；②缓控复合肥装置。缓控复合肥装置在正常生产时，洗涤塔的洗涤液需根据需要补入一定量的磷酸和水。为保证工艺系统的水平衡以及洗涤液具有合适的流动性，需向尾气洗涤塔内加入一定量的工艺水。尾气洗涤塔中多余的洗涤液从后向前依次补充至洗涤器槽等设备，最终用泵送入管式反应器中。各洗涤液成分及N/P比将对洗涤效果和反应产生影响，从而保证了在正常操作下，缓控复合肥装置无生产废液排出系统。发生事故时系统洗涤液排至事故水池，并返回系统使用，不外排；③全水溶肥装置。全水溶肥装置(冷却结晶法)正常生产时，新鲜水主要用来间断冲洗，采用装置内的蒸汽冷凝液代替，不消耗新鲜水。全水溶肥装置(冷却结晶法)联产全水溶肥装置(喷雾法)，全水溶肥装置(冷却结晶法)结晶母液送往全水溶肥装置(喷雾法)，用来制造水溶肥。

因此，当前典型磷化工基地所排废水的主要来源为：氟硅酸钠装置排出的生产废水、磷酸装置随磷石膏浆排往厂外磷石膏渣场的含磷废水、各装置事故状态下排出的事故污水。

典型磷化工基地配套的公用工程装置主要有热电站、原水净化站、清洁循环水站、酸性循环水站、除盐水站、污水处理站等，水资源利用情况如下：①原水净化站生产的新鲜水，除用于生产装置的密封冷却水等外，主要用于除盐水站原水、清洁循环水站补充水、酸性循环水的部分补充水等；②热电站和硫酸装置的汽包排水用作清洁循环水的补充水；③清洁循环水的排污水全部用作酸性循环水的补充水；④酸性循环水的排污水进入磷酸装置用作磷石膏的再浆水；⑤污水处理站对全厂常规污水(生活污水、除盐水站中和废水、氟硅酸钠生产废水、事故污水等)进行处理并达标排放。

1.2 磷石膏渣场回水利用现状

目前，大部分磷化工企业渣场回水并没有很好的利用方法，仅回再浆槽重新制浆并输送到渣场，在循环送回过程中，只通过蒸发消耗少量水，而在雨水丰富的地区，每年有大量雨水滞留在渣库及回水池中。湖北省约有一半地区多年平均降雨量达1 000mm以上，扣除蒸发及其他损耗，每年仍有约600mm的降雨保留在渣场及回水池。由于回水消耗量低，自然降雨量大，雨水丰沛区域的磷石膏渣场，每年积存大量雨水进入渣库后形成的污水，随着磷石膏库堆存高度的增长，库内调洪库容越来越小，经年累月，库内的存水量可能达到100万m3以上，这不仅使磷石膏库的安全环保堆存与闭库面临大难题，也给整个磷化工基地的水平衡带来极大压力。

1.3 大型磷化工基地用水排水量的设计使用情况

现阶段，大型磷化工基地用水排水水量的设计使用情况见表2。

表2 大型磷化工基地用水排水水量表/(m3·h-1)

注：①水量为磷酸装置磷石膏再浆所用的渣场回水349m3/h及酸性循环水排污水的水量58m3/h，此水量也是随磷石膏浆排往渣场的水量；②水量为蒸汽冷凝液回收水量；③水量为污水处理站处理达标排放水量。

现阶段典型大型磷化工基地的水平衡见图1。

图1 现阶段典型大型磷化工基地的水平衡

从用水排水水量表和水平衡图中可以看出，现阶段典型磷化工基地在生产过程中所需新水量1 141m3/h，循环用水量24 200+7 850=32 050m3/h，回用水量691m3/h，则重复利用水量为32 741m3/h，总用水量33 882m3/h。由此计算可得，项目生产用水的重复利用率为96.6%。

1.4 典型大型磷化工基地节水措施

目前，磷化工基地和一般化工基地一致，设计采取的节水措施如下：①在各用水点及用水干管上设置计量和调节、控制装置，对各用水装置实行定额管理，消除跑、冒、滴、漏，并将厂区内计量数据传送到控制室内的DCS系统上，进行数据统计、处理和分析，得出用水、排水数据，有针对性地进行水量控制；②在工厂运行时，总用水量、总排水量和各车间或各系统的用水量应进行连续和阶段性统计，以供全厂对用、排水进行管理和监测，发现问题及时处理，如循环水浓缩倍率，要求稳定达到设计指标，严格控制循环水补充水量。水务管理工作还应大力宣扬节水的意义，加强全体员工节水的意识，采用有效限量用水的手段，切实做到水务管理的各项要求；③循环冷却水系统采用高效收水器减少循环水漂滴损失，控制循环水收水器漂滴损失为0.01%，与国家标准的要求(循环水的漂滴损失小于0.1%)相比，大大减少了循环水漂滴损失率。同时，优化循环冷却水水质稳定处理方案，提高循环水浓缩倍数，减少补充水量；④对需要水冲洗的过滤器及设备尽量采用气水反冲洗，以便减少新鲜水的用量；⑤对用水分质管理，根据工艺对用水水质的要求，采取分质供水；对生产装置排出的废水尽可能回用作生产用水，减少一次水用量；⑥对各装置主要工业水、冷却尽可能采用循环水，实现水的重复利用，节约水资源。

2 典型大型磷化工基地水资源存在的问题及利用难点分析

2.1 典型大型磷化工基地水资源存在的问题

目前，大型磷化工基地节水利用存在的主要问题如下：①现有企业的清污分流做得不够，使洁净工业废水和其他污水一起排放，造成回收利用困难。如有些企业将除盐水站的中和废水和磷酸废水一起排到渣场，一方面增加了磷石膏的杂质，另一方面也增加了渣场回水处理回用的难度以及渣库的安全风险；②建设回用水装置需要相应的资金和运行费用。在水资源相对富裕的地区，回用水的成本比企业直接取水净化的费用高，企业对污水处理回用的动力不足；③各装置的给水没有得到很好的分质使用，如冲洗对水质要求不高的选矿尾矿、制备浮选剂等采用新鲜水而非回用水；④水务管理制度得不到严格执行或者没有制定相关制度，有些装置的管理操作人员随意开口接水和排水，使整体水平衡出现偏差，也在一定程度上造成浪费；⑤没有根据工况对用水和排水的情况进行及时调整，如冬季循环水系统运行时，在保证给水温度的情况下，可以减少风机的运行数量，从而减少蒸发损失水量；⑥在企业发展过程中需要进行技术改造，没有对用水和排水情况进行详细核算和测试，从而有针对性地制定新的节水措施，也有可能造成用水的不合理；⑦需要企业大力宣扬节水的意义和加强全体员工的节水意识，采用有效限量用水的手段，切实做到水务管理的各项要求。如果没有相应的奖惩措施，节水措施就会形同虚设，达不到目的。

2.2 典型大型磷化工基地水资源利用难点

2.2.1管理和投资

磷化工基地水资源利用的难点主要是在加强管理的同时需投入资金，建设相应的装置和购置设备。相应解决措施如下：①典型大型磷化工基地装置较多，用水点和排水点分散，因此，需要投入资金购置流量计、DCS等仪表设备，对各装置用水排水的水量和水质进行分析和测量，集中进行管理，同时制定用水所用的水质和用水指标等水务管理制度，并严格执行；②水资源“清污分流、分质利用”需要增加管线和处理设施，如除盐水的中和排水单独收集后再进回用水站处理，有些企业对此重视不够。

2.2.2极端雨季渣场水平衡

典型大型磷化工基地基本采用湿法输送磷石膏，随磷石膏浆送往渣场的水量比回水量多58m3/h，磷石膏渣场就面临渣库内存储大量污水的问题，尤其是在雨水丰沛的地区，污水经年累月存储后，库内污水量越来越大，水平衡无法保证，也给渣库的安全堆存带来极大压力。干旱地区的渣库在遇到设计洪水重现期的暴雨时，库内污水可能在一周内猛增几十万立方米，由于缺乏利用磷石膏库污水的有效方法，库内污水只能通过库区水面以年为单位的长期蒸发，才能回到暴雨前的正常水位及水平衡状态。

3 水资源梯级利用及废水零排放思路探讨

水资源梯级资源化利用，是在原有节水的基础上，增加了如下措施：①酸性循环水的补充水除采用清洁循环水的排污水外，余下部分采用渣场回水；②含磷废水替代矿浆水制磷酸。先把选矿装置来的含水35%的磷精矿浆进行过滤，过滤后的磷精矿含水为15%，再和含磷废水(渣场回水或酸性循环水的排污水)混合后送入磷酸反应槽进行反应。由此，过滤下来的矿浆水能够进一步处理作为生产水回用，既回收了含磷废水中的磷，又可将含磷废水循环利用；③对污水处理站出水进行深度处理，作为清洁循环水的补充水回用，达到废水零排放；④磷酸装置磷石膏再浆水最大限度利用渣场回水，使水资源得到充分利用。

通过增加上述措施，对装置排水进行清污分流，分质回用，实行生产装置多个小循环梯级利用、装置区废水零排放。同时又和渣场回水一起形成大循环，水资源得到充分利用。

大型磷化工基地水资源梯级资源化利用的用水、排水水量见表3。

表3 水资源梯级利用的用水、排水水量/(m3·h-1)

注：①水量为硫酸装置洁净排水6m3/h及渣场回水替代矿浆水制磷酸的常规排水47m3/h；②水量为磷酸装置磷石膏再浆所用的渣场回水349m3/h加酸性循环水排污水的水量58m3/h，共计407m3/h，再加渣场回水替代矿浆水制磷酸的水量47m3/h，其中，407m3/h是随磷石膏浆排往渣场的水量；③水量为蒸汽冷凝液回收水量；④水量为工艺及辅助装置洁净排水8m3/h，加回用水站产水水量143m3/h；⑤水量为清洁循环水排污水88m3/h及渣场回水89m3/h。

水资源梯级资源化利用后，基地废水实现零排放。典型大型磷化工基地水资源、梯级资源化利用水平衡见图2。

从用水、排水水量表和水平衡图中可以看出，现阶段典型磷化工基地在生产过程中所需新水量为906m3/h，循环用水量为24 200+7 850=32 050m3/h，回用水量为972m3/h，则重复利用水量为33 022m3/h，总用水量33 928m3/h。由此计算项目生产用水的重复利用率为97.3%，比常规设计提高了0.7%。一次水用量减少了235m3/h，一年节水188万m3。

图2 典型大型磷化工基地水资源梯级资源化利用水平衡

经过水资源梯级资源化利用后，渣场回水经澄清及简单处理后可以用作酸性循环水的补充水，同时，将矿浆所带的中性水置换为酸性含磷的渣场回水，使水资源均能重新被利用。这样，渣场回水以多出磷石膏携带水量135m3/h的用量回装置使用。遇到极端暴雨工况时，原水净化站以100m3/h的速度将渣场回水处理后作为一次水进入工艺装置使用，同时减少相应的新鲜水量，可以解决渣场水平衡问题及极端暴雨情况下磷石膏库的防洪安全问题。

以湖北省为例，汇水面积1km2的磷石膏渣场在遇到重现期100年的暴雨时，将产生约30万m3的污水。通过酸性循环水装置及置换矿浆水平衡，消耗30万m3污水需要的时间为30×10000÷(235×24)=53(天)。回水池库容设计为35万m3，平时通过渣场回水回用消耗库内增加的污水，雨季来临前保证回水池处于低水位运行，并且库内预留足够的调洪库容。这样在遇到设计洪水重现期暴雨时，水池库容富余量还有35万-30万=5万m3。暴雨来临后，原水净化站以100m3/h的速度处理渣场回水，库内洪水排入回水池后也重新具备一定的调洪库容，这样就解决了渣库大量存水无法平衡及极端暴雨工况下磷石膏库的防洪安全问题。

4 结语

本文从装置小循环、基地与渣场大循环、如何清污分流、分类资源化利用污水，进而减少一次水用量等多个方面，对大型磷化工基地水资源梯级资源化利用进行了探讨。典型磷化工基地水资源梯级利用思路有以下几点：①一次水用作设备密封冷却水、除盐水制备原水及清洁循环水补水等；②二级利用为清洁循环水排水，用于酸性循环水补充水、工艺装置洁净废水经处理后用作清洁循环水补水等；③三级利用为酸性循环水排水，用于磷酸装置冲洗、酸性含磷废水置换矿浆中性水等；④四级利用为渣场回水，用于酸性循环水补充水以及磷石膏再浆用水等。平时通过循环水装置及置换矿浆水消耗库内增加的污水，雨季来临前保证回水池处于低水位运行，这样就解决了渣库大量存水无法平衡及极端暴雨工况下磷石膏库的防洪安全问题。

由此，大型磷化工基地的用水方式实施装置小循环、基地大循环，水资源得到充分利用，基本实现废水零排放。在节约新鲜水用量的同时，含磷废水磷耗也得到充分利用，降低了企业的生产成本，减轻了磷化工企业在环保、安全方面的压力，对于提升行业整体技术水平、实现节能减排和清洁生产具有重要意义。