煤化工濃鹽水零排放處理工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行分析

姜文佳，李臻發(fā)，梁純志，滕洪輝

（1.吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林四平 136000；2.內(nèi)蒙古康乃爾化學(xué)工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古通遼 029100；3.吉林日?qǐng)?bào)社，吉林長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

目前，煤化工在我國(guó)煤炭富集地區(qū)得到了蓬勃發(fā)展，帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)環(huán)境問(wèn)題也無(wú)法避免［1］。由于我國(guó)煤炭富集地區(qū)多為水資源匱乏及生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，近幾年在煤化工項(xiàng)目的審批上，國(guó)家環(huán)保部門對(duì)煤化工企業(yè)的廢水處理及回用后所產(chǎn)生的濃鹽水處理提出了更加嚴(yán)格的要求及條件。也就是說(shuō)，一個(gè)處理效果好、運(yùn)行穩(wěn)定性高、運(yùn)行費(fèi)用低的廢水濃鹽水零排放處理技術(shù)，已經(jīng)成為煤化工項(xiàng)目審批的必要條件及企業(yè)發(fā)展的自身需求［2-5］。同時(shí)，這一趨勢(shì)也吸引了大量科研人員從事這方面的研究，開(kāi)發(fā)出多種煤化工廢水零排放工藝技術(shù)，且部分研究成果已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程［6-12］。眾所周知，實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用還有許多工程技術(shù)難題需要攻克，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)有各種各樣的問(wèn)題需要解決，然而目前關(guān)于煤化工廢水零排放工程運(yùn)行分析、研究的報(bào)道卻很少，對(duì)于工程技術(shù)問(wèn)題的探討缺失制約了煤化工廢水處理技術(shù)的發(fā)展。以下針對(duì)某煤化工企業(yè)濃鹽水的水質(zhì)情況設(shè)計(jì)了廢水零排放工藝，并對(duì)工程運(yùn)行情況進(jìn)行分析與探討，以期為相關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員提供一點(diǎn)參考。

1 廢水來(lái)源及水質(zhì)

所設(shè)計(jì)的濃鹽水零排放處理工藝要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有2個(gè)回用水站所排濃鹽水的回收處理，處理后的淡水回收利用，進(jìn)一步提濃的污水蒸發(fā)結(jié)晶，得到的固鹽外運(yùn)。

2個(gè)回用水站來(lái)水如圖1所示?；赜盟劲駚?lái)水主要是各生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的工藝廢水、生活污水、凈化水站污水等經(jīng)廠區(qū)污水處理站處理后的水，回用水站Ⅰ排放的污水濃鹽水量為60m3／h、含鹽量為10000～12000mg／L；回用水站Ⅱ來(lái)水主要是脫鹽水站、空分熱電循環(huán)水站的外排清凈下水，回用水站Ⅱ排放的清凈下水濃鹽水量為120m3／h、含鹽量為8000～10000mg／L。濃鹽水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。以上來(lái)水經(jīng)過(guò)回用水站處理后，回用水作為循環(huán)水站補(bǔ)充水，濃鹽水則進(jìn)入零排放裝置處理。

圖1 回用水站來(lái)水示意圖

表1 濃鹽水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

由表1可以看出，污水濃鹽水及清凈下水濃鹽水具有以下特點(diǎn)。

（1）濃鹽水T D S含量高。水中的T D S主要來(lái)自原水中的溶解性固體、處理過(guò)程中添加的藥劑等，在脫鹽水裝置以及循環(huán)水裝置對(duì)原水中的鹽分進(jìn)行濃縮后，回用水裝置脫鹽的過(guò)程中又對(duì)鹽分進(jìn)行進(jìn)一步濃縮，使?jié)恹}水的T D S較高。濃鹽水處理的目的是對(duì)濃鹽水中T D S進(jìn)行脫除，從而回收淡水資源。過(guò)高的T D S將對(duì)水的回收率及裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行產(chǎn)生影響。

（2）結(jié)垢性物質(zhì)含量高?；钚怨琛⒂捕?、堿度均表征著結(jié)垢性物質(zhì)的含量，濃鹽水處理過(guò)程中，結(jié)垢性物質(zhì)在一定條件下會(huì)以結(jié)垢的形式從水中析出，附著在設(shè)備的內(nèi)壁，影響系統(tǒng)的性能，增加系統(tǒng)清洗、再生的頻次，縮短膜元件的壽命，增加運(yùn)行成本。通過(guò)比對(duì)多家煤化工企業(yè)濃鹽水零排放裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水中結(jié)垢性物質(zhì)的去除是濃鹽水零排放裝置后續(xù)設(shè)備能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此，在預(yù)處理階段要盡量將水中的結(jié)垢性物質(zhì)予以去除。

2 煤化工濃鹽水零排放工藝設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

從濃鹽水水質(zhì)特點(diǎn)分析，濃鹽水直接回用無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，所以濃鹽水回收處理工藝的設(shè)計(jì)目的以及處理重點(diǎn)都是脫鹽；同時(shí)，濃鹽水的硬度、堿度均較高，脫鹽處理前必須增設(shè)預(yù)處理系統(tǒng)，以去除水中的硬度、堿度?；谝陨戏治?，濃鹽水零排放工藝流程初步確定為 “預(yù)處理+脫鹽處理+蒸發(fā)結(jié)晶”。

由于清凈下水濃鹽水及污水濃鹽水最終產(chǎn)生的結(jié)晶鹽分別屬于普通固廢及危廢，因此這2股濃鹽水需分別進(jìn)行處理，以進(jìn)一步降低后續(xù)固廢處置費(fèi)用，提高可回收利用價(jià)值；但與此同時(shí)，污水濃鹽水的高壓反滲透系統(tǒng) （RO）與清凈下水濃鹽水的高壓反滲透系統(tǒng) （RO）之間可增設(shè)連通管，這樣當(dāng)其中任何一套高壓反滲透系統(tǒng)需要化學(xué)清洗或檢修時(shí)，均可投用備用系統(tǒng)，即2套高壓反滲透系統(tǒng)互為備用。

據(jù)處理階段不同，整個(gè)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)為預(yù)處理系統(tǒng)、膜濃縮系統(tǒng)和蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。預(yù)處理系統(tǒng)選用石灰軟化及弱酸陽(yáng)床，主要用于去除濃鹽水中的Ca2+、mg2+等結(jié)垢性離子；膜濃縮系統(tǒng)主要是利用兩級(jí)高壓反滲透膜對(duì)濃鹽水進(jìn)行進(jìn)一步濃縮；蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)用于處理膜濃縮后產(chǎn)生的高濃鹽水。

2.2 工藝流程

通過(guò)對(duì)濃鹽水的水質(zhì)分析并考慮裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，最終明確該企業(yè)濃鹽水處理工藝如圖2、圖3所示?；赜盟井a(chǎn)生的污水濃鹽水及清凈下水濃鹽水分2套系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行處理，使用石灰軟化及兩級(jí)弱酸陽(yáng)床減小水的硬度，經(jīng)過(guò)弱酸陽(yáng)床后的產(chǎn)水硬度＜1mg／L；去除硬度后的濃鹽水進(jìn)行一級(jí)高壓反滲透脫鹽，一級(jí)高壓反滲透水的利用率為65%～75%，濃縮后的一級(jí)高壓RO濃水進(jìn)入二級(jí)高壓反滲透處理裝置，二級(jí)高壓反滲透水的利用率為55%～65%，反滲透脫鹽過(guò)程中產(chǎn)生的淡水作為回用水回用；二級(jí)高壓反滲透濃水中的鹽濃度為11.4%～13.7%，進(jìn)入多效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng) （采用三效強(qiáng)制循環(huán)閃蒸結(jié)晶工藝），在三效結(jié)晶器中逐步濃縮并在最后一效結(jié)晶器中結(jié)晶析出固體鹽，前面一效蒸發(fā)結(jié)晶器產(chǎn)生的二次蒸汽依次進(jìn)入下一效結(jié)晶器作為熱源；多效蒸發(fā)處理后的鹽漿液中鹽類物質(zhì)含量為40%～45%，經(jīng)離心結(jié)晶后得到廢鹽渣，廢鹽渣含水率≤20%，分別作為危廢及普通固廢單獨(dú)處理；多效蒸發(fā)產(chǎn)水作為回用水回用。

圖2 污水濃鹽水零排放工藝流程框圖

圖3 清凈下水濃鹽水零排放工藝流程框圖

3 運(yùn)行情況

3.1 污水濃鹽水零排放工藝運(yùn)行情況

污水濃鹽水處理水量為60m3／h，連續(xù)450d的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明：污水濃鹽水經(jīng)過(guò)一級(jí)高壓反滲透處理后，產(chǎn)生的淡水量約為39m3／h，淡水回收使用，水的利用率約為65%，濃縮后產(chǎn)生的一級(jí)高壓RO濃水約為21m3／h；約21m3／h的RO濃水進(jìn)入二級(jí)高壓反滲透處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后產(chǎn)生的淡水量約為11.5m3／h，淡水回收使用，水的利用率約為55%，濃縮后產(chǎn)生的二級(jí)高壓RO濃水約為9.5m3／h。

可以看出：?jiǎn)渭?jí)反滲透處理裝置的淡水回收率是偏低的 （一級(jí)約65%、二級(jí)約55%），這主要是由于污水濃鹽水中的有機(jī)污染物及鹽含量較高，影響了反滲透產(chǎn)水率；而所設(shè)計(jì)的零排放工藝將軟化技術(shù)和兩級(jí)高壓反滲透串聯(lián)起來(lái)，使經(jīng)過(guò)兩級(jí)高壓反滲透裝置處理后的污水濃鹽水回收的淡水量達(dá)到50.5m3／h，總的淡水回收率達(dá)到84.2%。但該項(xiàng)目的投資和運(yùn)行成本相對(duì)較高，建議后續(xù)工程改進(jìn)時(shí)增加有機(jī)物去除工藝，以進(jìn)一步提高淡水回收率。

污水濃鹽水含鹽量為10000～12000mg／L，經(jīng)過(guò)兩級(jí)反滲透系統(tǒng)處理后，濃水中的鹽類物質(zhì)含量約為13.7%，約9.5m3／h的二級(jí)高壓RO濃水經(jīng)過(guò)多效蒸發(fā)結(jié)晶后，產(chǎn)生的固體結(jié)晶鹽約為722k g／h，最終作為危廢外運(yùn)處理。

3.2 清凈下水濃鹽水零排放工藝運(yùn)行情況

清凈下水濃鹽水處理水量為120m3／h，經(jīng)過(guò)一級(jí)高壓反滲透處理后，產(chǎn)生的淡水量約為90m3／h，淡水回收使用，水的利用率約為75%，濃縮后產(chǎn)生的一級(jí)高壓反滲透濃水約為30m3／h；約30m3／h的濃水進(jìn)入二級(jí)高壓反滲透處理系統(tǒng)，產(chǎn)生的淡水量約為19.5m3／h，淡水回收使用，水的利用率約為65%，濃縮后產(chǎn)生的二級(jí)高壓反滲透濃水約為10.5m3／h。

可以看出：清凈下水濃鹽水處理系統(tǒng)回收淡水量約為 109.5m3／h，總的淡水回收率達(dá)91.25%，與污水濃鹽水零排放工藝相比，清凈下水濃鹽水零排放工藝之淡水回收率顯著提高。污水濃鹽水與清凈下水濃鹽水處理工藝完全相同，淡水回收率的差異主要在于所處理濃鹽水水質(zhì)不同：污水濃鹽水中有機(jī)物和易結(jié)垢硫酸鹽、重碳酸鹽含量較高，經(jīng)過(guò)軟化處理后，其與清凈下水濃鹽水的硫酸鹽、重碳酸鹽含量基本相同，主要差別在于進(jìn)入高壓反滲透系統(tǒng)水中的有機(jī)物含量，有機(jī)物含量高易引發(fā)膜污染，導(dǎo)致產(chǎn)水率偏低。運(yùn)行實(shí)踐再一次證明，廢水中的有機(jī)物含量對(duì)反滲透膜處理系統(tǒng)的影響明顯，因而煤化工廢水零排放工藝中要考慮增設(shè)有機(jī)物去除工藝系統(tǒng)。

清凈下水濃鹽水含鹽量為8000～10000 mg／L，經(jīng)過(guò)兩級(jí)反滲透系統(tǒng)處理后，濃水中的鹽類物質(zhì)含量約為11.4%，約10.5m3／h的二級(jí)高壓反滲透濃水經(jīng)過(guò)多效蒸發(fā)結(jié)晶后，產(chǎn)生的固體結(jié)晶鹽約為1197k g／h，最終作為普通固廢外運(yùn)處理，有條件的企業(yè)也可將其加工為融雪劑等予以回收利用。

4 濃鹽水零排放工藝運(yùn)行成本分析

污水濃鹽水和清凈下水濃鹽水的處理工藝相同，2種工藝系統(tǒng)運(yùn)行成本的對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯觯?種濃鹽水零排放工藝系統(tǒng)總運(yùn)行成本和單項(xiàng)運(yùn)行成本占比基本相同；主要運(yùn)行成本是能耗 （電耗和蒸汽耗），約占總運(yùn)行成本的50%；其次是間接成本 （包括財(cái)務(wù)、折舊和檢修費(fèi)用），約占總運(yùn)行成本的30%；藥劑、人工等直接成本僅約為總運(yùn)行成本的20%。從各類成本所占比例來(lái)看，建議制定科學(xué)、規(guī)范的工藝運(yùn)行管理流程，如此可進(jìn)一步降低總運(yùn)行成本。

表2 2種濃鹽水零排放工藝系統(tǒng)運(yùn)行成本對(duì)比 元／m3

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）據(jù)濃鹽水水質(zhì)特點(diǎn)，零排放工藝首先需對(duì)2個(gè)回用水站所排放濃鹽水進(jìn)行預(yù)處理，利用石灰軟化以及弱酸陽(yáng)床去除水中的絕大部分易結(jié)垢離子，使進(jìn)入多效蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)垢性離子含量降低，以提高其使用壽命，降低其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（2）污水濃鹽水的高壓反滲透系統(tǒng) （RO）與清凈下水濃鹽水的高壓反滲透系統(tǒng) （RO）系統(tǒng)之間加設(shè)連通管線互為備用的設(shè)計(jì)，既能保證系統(tǒng)長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行，又可控制投資規(guī)模，通過(guò)兩級(jí)高壓反滲透濃縮除鹽后，總的淡水回收率分別可達(dá)84.2%、91.25%。

（3）實(shí)踐表明，本濃鹽水零排放工藝能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)顯著降低，淡水回收率較高，總運(yùn)行成本較低，能夠滿足煤化工濃鹽水零排放的要求。但是，因?yàn)閺U水中有機(jī)物含量的差異導(dǎo)致污水濃鹽水的淡水回收率低于清凈下水濃鹽水的回收率，建議在煤化工濃鹽水零排放工藝中增設(shè)有機(jī)物去除工序，以進(jìn)一步提高淡水回收率，延長(zhǎng)反滲透膜的使用壽命。