煤化工废水零排放系统反渗透问题分析与优化

朱宏凯 李远 宋克勇

摘 要：现阶段，社会进步迅速，我国的化工工程建设的发展也有了提高。由于大型煤化工项目耗水量大、废水水质复杂、含盐量高，因此实现废水零排放成为煤化工产业发展的必然条件，近几年反渗透水处理技术已经在化工、电力、冶金等行业零排放项目中作为废水减量与回用的核心技术得到广泛应用.采用反渗透技术对某大型煤制烯烃项目全厂的废水进行浓缩减量与回用后，通过蒸发结晶工艺对高含盐废水继续进行浓缩以实现废水全部回收利用.该项目已经运行了4年多，本文从水质、工艺设计等各个环节对反渗透系统运行中的问题进行分析，并寻求解决办法.

关键词：煤化工废水;零排放系统;反渗透问题分析;优化

引言

我国是一个“富煤、贫油、少气”的煤炭资源大国[1]，因此发展现代煤化工产业势在必行。然而，煤化工产业耗水量高、含盐量高、废水处理难度大，加上近年随着我国颁布《中国节水技术政策大纲》，对环保要求越来越高。为了实现煤化工工业废水“零排放”，必须提高废水浓缩倍率。煤化工废水水质受工艺影响较大，特点是化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和氨氮含量高。

1膜浓缩技术

反渗透装置由于占地面积小、能耗低、自动化程度高等特点，已经被广泛应用于煤化工废水处理工艺中。但是由于反渗透膜对进水水质要求较高，通常在反渗透膜进水前增加超滤、保安过滤器和自清洗过滤器等膜保护设备，截留微细颗粒物质，避免滤膜被大颗粒物质堵塞或划伤。近年来，随着反渗透技术的迅速发展，膜浓缩设备被分为反渗透和高压反渗透两大类。

1.1反渗透

对含盐废水施以外界推力克服其渗透压，使水分子通过膜，达到分离、提纯、浓缩目的的逆向渗透过程即为反渗透。在煤化工废水处理工艺中，反渗透膜通常选用抗污染苦咸水淡化膜和海水淡化膜两种规格，可将浓盐水浓缩5倍以上，浓盐水经浓缩后实现了减量化，浓水TDS一般在50000mg/L左右，系统脱盐率≥98%，回收率≥80%;反渗透的产水已经能达到初级再生水水质指标。

1.2高压反渗透

由于普通反渗透膜运行时所能承受的压力一般为25～40bar，为了进一步提高浓水的含盐量，增大浓缩倍率，降低后续蒸发单元的处理压力，提高整个零排放系统的效率，必须加强相应膜组的进水压力。近年来，不少水处理行业选用超高压卷式反渗透膜组合，碟管式反渗透（Disc Tube Reverse Osmosis，DTRO）是专门处理高浓度污水的膜组件，最大耐受压力可达120bar，高压反渗透系统回收率≥50%，脱盐率≥98%，盐分浓缩在100000～180000mg/L。研发了新型的“纳滤-反渗透海水淡化组合”海水淡化工艺，回收率在60%以上，解决了海水淡化过程中反渗透回收率低的问题。对基于高压反渗透方式的船用海水淡化装置的结构进行研究并建立数学模型，得到影响系统的因素为原水浊度、等效高度差（即膜组压降）、控制阀开度，并且证实产水流量加速曲线是正当收敛的，在14s时，系统产水最终达到稳定。杨芳军等[10]采用高效反渗透技术（High Efficiency Reverse Osmosis，HERO）将煤化工浓盐水TDS浓缩至60000mg/L，同时HERO的进水pH调至10以上，提高了硅的结垢极限，避免了微生物和有机物黏附于膜上。

2化工企业污水处理工艺技术

煤化工企业的污水处理可以分为有机物的处理和无机盐的脱除，对于不同的废水要使用相应的废水处理技术来实现对污染物更好地处理。

2.1有机废水的处理技术

对于有机物含量高的煤化工有机废水要先进行有机物的脱除，这些富营养化的废水排入自然环境中往往会消耗水中的溶解氧等物质，引起水体水质的恶化。为了避免水体污染，就要对这些有机物进行生物化学方式的处理，首先采用絮凝沉降的有机物处理方法进行有机物吸附，这其中絮凝剂要根据废水的实际情况选取合适的产品。絮凝沉降是对废水中的物质进行沉降，将其中所不需要的有机物产品进行絮凝后除去，由于有机物废水还含有一部分溶解氧存在，所以要加入氧化剂进行有机物氧化，实现对有機物活性的降低，在进入之后的沉降过程时，可以对废水达到初步处理的目的，减少之后絮凝剂的用量以及沉降过程成本的消耗。随后进入反渗透设备进行处理，进一步地降低有机物及杂质含量，使之满足最终冷却水的标准进入生产工艺流程内循环使用。最后是在冷凝过程中发挥循环水的作用，提高生产过程的使用效率，加强设备的环保性和整个工艺的节能减排程度，减少了煤化工厂的生产消耗成本。

2.2含盐废水的处理技术

在煤化工企业的废水处理中，对于含盐废水也需要采用相应的技术来实现盐离子的去除，最重要的方式就是使用膜处理技术。基本原理是将盐水通过高分子的滤膜，用过滤膜使废水中的盐离子筛选出来，用相关的膜处理将废水中大部分的盐离子脱去。随后将分离出的盐水使用蒸发结晶法进行结晶处理，基本原理就是在不同的沸点下，按照不同盐类的性质不同进行分别提取，并且按照不同盐离子的性质进行相应的分类储存。在这个过程内实现了各个物质的充分利用，随后将蒸发结晶过后的蒸馏水通过冷凝，再进入循环冷水系统作为冷却水再利用，在这个过程中提高了废水的使用效率，而如今的蒸发结晶系统不再是整体共同工作，蒸发过程和结晶过程是分别工作。目前较多企业采用了膜蒸发技术，是将废水先进入蒸发室内，随后进行加热过程。这种工艺可以在每个换热管中均匀形成一层膜，液体在膜内进行流动就达到了蒸发的目的;同时在结晶过程中，运用闪蒸工艺即时地分离出各种盐离子，最终将冷凝水送入回流装置继续使用，就实现了含盐废水的零排放，同时促进盐类物质充分再利用，就能达到相应的质量要求以及废水排放标准。在煤化工企业的废水处理中，不仅包含了有机废水的处理系统，还包括含盐废水的处理设备，除此以外还包括了部分废水处理辅助设备如离心机、干燥机。在这些设备的共同作用下，就可以实现煤化工废水的零排放工艺。

3同类项目反渗透装置设计建议

3.1合理设置段间增压泵

进水含盐量低于2000mg/L时，回收率75%的反渗透装置一般采用一级两段、6芯装膜壳排列比例2∶1，段间不设增压泵，此时反渗透系统内进水端净驱动压力是浓水端的2～2.5倍.随着进水含盐量升高，反渗透系统进水端与浓水端的净驱动压力差距加大，造成两段产水不平衡现象严重，本项目曾出现中水反渗透二段产水量占总产水量不足10%的情况.关于在何种条件下需要设置段间增压泵目前尚无明确设计规范.根据经验，在系统回收率≥75%、水温≥25℃、两段使用相同型号膜元件的条件下，提出以下建议：（1）当进水TDS≥2000mg/L时，一二段之间应设置段间增压泵;（2）当进水TDS1400～2000mg/L时，根据情況决定是否设计段间增压泵或考虑二段使用透过阻力较小的超低压膜.通过对市场上主流膜品牌的设计软件研究发现，设计软件对报警的设定条件主要是单支膜元件的流量限制、回收率限制，而没考虑实际运行工况中温度、含盐量都是变化的情况.因此在设计时应考虑水源的自身特性、运行工况与膜元件预期使用寿命，可以允许某些情况下的报警，但这需要设计人员具有丰富的现场经验与对设计软件的深刻了解。

3.2合理选择压力容器

中水、高盐水水质差，水的浓差极化情况对产水水质影响大且容易发生结垢、污堵等情况，为了减小浓差极化，通常采取提高膜元件表面流速的措施.因此选择好设计通量后，通常选择7支或8支装膜元件的压力容器，以减少压力容器数量，提高膜元件表面水的流速。

3.3合理控制进水温度

温度对反渗透系统装置产水水量、水质有直接影响，在进水压力不变的情况下，温度越高，装置产水量越高，反渗透膜元件脱盐率下降.膜的产水量随温度增加的曲线基本与水的黏度系数随温度降低的曲线吻合。

结语

在煤化工企业的实际生产中，对于其化学废水的处理日渐受到相关部门和技术人员的重视，使用零排放工艺技术，做到对煤化工废水污水的回收和再利用，将所排放污水进行处理达标后排出生产环境，实现煤化工企业的环保生产，推进国家节能减排目标的实施。

参考文献

[1]韩志远，焦洋，曾繁军，等.热电厂反渗透膜污堵特性分析及应对策略[J].膜科学与技术，2019，39（5）：131-135.