化工污水電滲析實(shí)驗(yàn)研究及工藝設(shè)計(jì)方案的確定

楊海燕 周文凡

（1. 中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 克拉瑪依 833699；2. 中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司科技信息處，新疆 克拉瑪依 833699）

0 引言

本石化公司凈化水聯(lián)合車間污水處理系統(tǒng)劃分為含鹽污水系統(tǒng)、含油污水系統(tǒng)和清凈廢水系統(tǒng)，總設(shè)計(jì)規(guī)模1800m3· h-1，其中含鹽污水600m3· h-1，含油污水600m3· h-1，清凈廢水600m3· h-1。

超濾-反滲透雙膜工藝用于公司清凈廢水系統(tǒng)，反滲透因?yàn)楦邏哼\(yùn)行導(dǎo)致能耗較高，且反滲透工藝膜污染問(wèn)題嚴(yán)重、水回收率較低，僅在50%左右。加之目前反滲透產(chǎn)水用作循環(huán)水補(bǔ)充水，對(duì)其水質(zhì)要求大為降低，可以考慮采用電滲析脫鹽工藝代替反滲透工藝，以降低能耗，提高產(chǎn)水率，節(jié)約運(yùn)行成本；含鹽廢水經(jīng)提標(biāo)處理后達(dá)標(biāo)外排，排放量高達(dá)900m3· h-1，其水質(zhì)干凈，只是電導(dǎo)率較高，若能降低其電導(dǎo)率到可回用至循環(huán)水的水平，則可以大大節(jié)約新水用量，降低運(yùn)行成本。為此，開(kāi)展清凈廢水系統(tǒng)超濾產(chǎn)水和含鹽污水提標(biāo)外排水的電滲析實(shí)驗(yàn)，考察電滲析工藝對(duì)超濾產(chǎn)水的脫鹽效果，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，制定電滲析工藝設(shè)計(jì)方案。

1 清凈廢水系統(tǒng)超濾產(chǎn)水電滲析實(shí)驗(yàn)

測(cè)量不同進(jìn)水流量（濃水固定100L · h-1，淡水100、200、300、400、500L · h-1）及不同電壓（40V、45V、50V、55V、60V）下產(chǎn)水的電導(dǎo)率，探索電滲析脫鹽率與電壓、進(jìn)水流量之間的關(guān)系，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同操作條件下水質(zhì)測(cè)量與耗能

綜合脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設(shè)備處理效率、濃水電導(dǎo)率等指標(biāo)，選擇60V操作電壓、淡水流量300L · h-1、濃水流量100L · h-1作為運(yùn)行條件，連續(xù)運(yùn)行10h，從圖1可以看出，由于超濾產(chǎn)水水質(zhì)較好，電滲析運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有明顯的膜污染，因而脫鹽率效果沒(méi)有明顯波動(dòng)。

圖1 超濾產(chǎn)水電滲析工藝電導(dǎo)率隨運(yùn)行時(shí)間變化關(guān)系圖

測(cè)量了不同運(yùn)行條件下，COD值的變化情況，如表2所示?？梢钥闯?，與中水電滲析過(guò)程類似，超濾產(chǎn)水經(jīng)過(guò)電滲析處理后，其淡水COD下降，濃水COD上升。

表2 不同操作條件下COD值變化情況

調(diào)研電滲析與反滲透技術(shù)的建設(shè)投資運(yùn)行成本，主要包括電力消耗、化學(xué)藥品消耗與固定資產(chǎn)折舊費(fèi)。

（1）化學(xué)品消耗方面，電滲析0.13元 · 噸-1，反滲透0.4元 · 噸-1；

（2）電力消耗方面，電滲析0.50元 · 噸-1，反滲透2.3元 · 噸-1；

（3）固定資產(chǎn)折舊費(fèi)方面，電滲析0.98元 ·噸-1，反滲透1.01元 · 噸-1。

可見(jiàn)，電滲析技術(shù)在電力消耗方面遠(yuǎn)低于高壓運(yùn)行的反滲透技術(shù)，因而運(yùn)行成本更低。

2 含鹽污水提標(biāo)外排水電滲析實(shí)驗(yàn)

測(cè)量不同進(jìn)水流量（濃水固定100 L · h-1，淡水100、200、300、400、500L · h-1）及不同電壓（40V、45V、50V、55V、60V）下產(chǎn)水的電導(dǎo)率，探索電滲析脫鹽率與電壓、進(jìn)水流量之間的關(guān)系，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示?？梢钥闯?，電滲析工藝對(duì)提標(biāo)外排水具有明顯的脫鹽效果，綜合考慮脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設(shè)備處理效率、濃水電導(dǎo)率等指標(biāo)，選擇60V操作電壓、淡水流量400L · h-1、濃水流量100L · h-1作為最優(yōu)條件。在此運(yùn)行條件下，原水經(jīng)過(guò)一次電滲析處理后，電導(dǎo)率從3418μs · cm-1降至1574μs · cm-1，脫鹽率達(dá)53.95%；產(chǎn)水經(jīng)過(guò)二次電滲析處理后，電導(dǎo)率降至745μs · cm-1，脫鹽率達(dá)52.67%；二級(jí)串聯(lián)電滲析總的脫鹽率為78.20%，總的水回收率為64.0%。

表3 不同操作條件下水質(zhì)測(cè)量與耗能

表4 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

表5 出水水質(zhì)指標(biāo)

表6 清凈廢水回用循環(huán)水設(shè)備配置表

表7 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

表8 出水水質(zhì)指標(biāo)

同時(shí)，還測(cè)量了60V操作電壓、淡水流量400L · h-1、濃水流量100L · h-1運(yùn)行條件下，COD值的變化情況，原水經(jīng)過(guò)一次電滲析處理后，淡水COD從原水的30.30mg · L-1降至12.99mg · L-1，濃水COD升至216.45mg · L-1；淡水經(jīng)過(guò)二次電滲析處理后，COD進(jìn)一步降至2.16mg · L-1，二次電滲析濃水的COD為71.43 mg · L-1。

從表3可以看出，60V操作電壓、淡水流量100L · h-1、濃水流量100L · h-1運(yùn)行條件下，電導(dǎo)率降至537μs · cm-1，脫鹽率高達(dá)84.29%。此運(yùn)行條件下，濃水COD升至216.45 mg · L-1。

3 電滲析工藝設(shè)計(jì)方案

針對(duì)中水水質(zhì)控制及脫鹽單元的運(yùn)行問(wèn)題，開(kāi)展清凈廢水系統(tǒng)超濾產(chǎn)水、含鹽污水提標(biāo)外排水的電滲析試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，制定了電滲析工藝設(shè)計(jì)方案，建議在凈化水聯(lián)合車間的污水處理系統(tǒng)建立配套規(guī)模的電滲析工藝單元裝置。

3.1 清凈廢水電滲析處理工藝

3.1.1 設(shè)計(jì)處理規(guī)模

本項(xiàng)目主要用于處理清凈廢水（超濾單元出水），處理規(guī)模如下：

（1）處理規(guī)模:600m3· h-1；

（2）最大水量:600m3· h-1；

（3）實(shí)際運(yùn)行水量:400m3· h-1具體設(shè)計(jì)參數(shù)還需借助專業(yè)公司根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3.1.2 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

3.1.3 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)

3.1.4 工藝流程描述

如圖2所示，超濾產(chǎn)水儲(chǔ)罐通過(guò)自吸污水泵提升至原水箱，再通過(guò)水泵分三股水進(jìn)入電滲析單元，通過(guò)調(diào)節(jié)電滲析操作電壓、進(jìn)水流量等參數(shù)，使污水達(dá)到穩(wěn)定的回收率，最后又分三股水排出電滲析單元，其中極水循環(huán)回到原水箱，脫鹽水外送至循環(huán)水，濃水回流至含鹽污水純氧曝氣池前端經(jīng)處理合格后外排。

圖2 超濾產(chǎn)水電滲析工藝參考流程圖

3.1.5 具體工藝參數(shù)

（1）電滲析器：可用800×1600mm離子交換膜。以常規(guī)的異相離子交換膜為膜材料，300對(duì)離子交換膜，采用二級(jí)兩段方式，組裝為電滲析膜堆。鈦網(wǎng)電極，PP隔板大水流通道防止污染物沉積。單臺(tái)處理量為40m3· h-1，功率為5kW，產(chǎn)出脫鹽凈化水是32～35m3· h-1，濃水為5～8m3· h-1,15臺(tái)，并聯(lián)排列，清凈廢水處理量達(dá)到600m3· h-1。整體上水回收率達(dá)到75%左右，脫鹽水的電導(dǎo)率小于500μS ·cm-1，達(dá)到循環(huán)水使用的水質(zhì)要求，外排進(jìn)入循環(huán)水池；濃水的電導(dǎo)率小于3000～3500μS · cm-1，COD小于60mg · L-1，濃水符合外排的污水水質(zhì)要求；

（2）管道：PVC管道，根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)配備；

（3）主要設(shè)備配置：

①?gòu)S房：40×10m；

②電源：380V工業(yè)用電；

③功率：電滲析為5kW×15=75kW。三臺(tái)水泵，揚(yáng)程為20m。水泵總功率為20kW×3= 60kW?？偣β蕿?35kW；

（4）電滲析操作參數(shù)：

① 操作電壓60V；

② 淡水流量300L · h-1；

③ 濃水流量100L · h-1；

④ 采用自動(dòng)頻繁（2小時(shí)每次）倒電極操作，防止污垢（主要考慮硅酸鹽垢）的生成，提高電滲析設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 提標(biāo)外排污水電滲析處理工藝

3.2.1 設(shè)計(jì)處理規(guī)模

本項(xiàng)目主要用于處理清凈廢水（提標(biāo)外排污水），處理規(guī)模如下：

（1）處理規(guī)模：1000m3· h-1；

（2）最大水量：1000m3· h-1；

（3）實(shí)際運(yùn)行水量：900m3· h-1。

具體設(shè)計(jì)參數(shù)還需借助專業(yè)公司根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3.2.2 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

3.2.3 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指

3.2.4 工藝流程描述

如圖3所示，提標(biāo)外排監(jiān)護(hù)池污水通過(guò)自吸污水泵提升，分三股水進(jìn)入一級(jí)電滲析單元，通過(guò)調(diào)節(jié)電滲析操作電壓、進(jìn)水流量等參數(shù)，使污水達(dá)到穩(wěn)定的回收率，然后又分三股水排出一級(jí)電滲析單元，其中一級(jí)極水循環(huán)回到原水箱，一級(jí)脫鹽水進(jìn)入二級(jí)電滲析單元，最后分三股水排出二級(jí)電滲析單元，其中二級(jí)極水循環(huán)回到原水箱，二級(jí)脫鹽水達(dá)到循環(huán)水使用的水質(zhì)要求，外送至循環(huán)水，一級(jí)、二級(jí)濃水均回流至含鹽污水純氧曝氣池前端經(jīng)處理合格后外排。

圖3 提標(biāo)外排污水電滲析工藝參考流程圖

3.2.5 具體工藝參數(shù)

（1）電滲析器：可用800×1600mm離子交換膜。以常規(guī)的異相離子交換膜為膜材料，300對(duì)離子交換膜，采用二級(jí)兩段方式，組裝為電滲析膜堆。鈦網(wǎng)電極，PP隔板大水流通道防止污染物沉積。單臺(tái)處理量為40m3· h-1，功率為10kW，產(chǎn)出脫鹽凈化水是20～25m3· h-1，濃水為15～10m3· h-1。50臺(tái)，25臺(tái)并聯(lián)排列，分兩級(jí)，清凈廢水處理量達(dá)到600m3· h-1。兩級(jí)電滲析整體污水回收率達(dá)到64%左右，二級(jí)脫鹽水的電導(dǎo)率小于700μS · cm-1，達(dá)到循環(huán)水使用的水質(zhì)要求，外排進(jìn)入循環(huán)水池；濃水的電導(dǎo)率大于8000μS · cm-1，COD大于200mg · L-1，需重新評(píng)估該股污水是去堿渣生化處理裝置還是直接回流至含鹽污水純氧曝氣池前端經(jīng)處理合格后外排；

（2）袋式過(guò)濾器：25臺(tái)?？紤]到中水的懸浮物較多，每臺(tái)一級(jí)電滲析器配置一臺(tái)處理量為40m3· h-1的5μm袋式過(guò)濾器，凈化水質(zhì)后，進(jìn)入電滲析設(shè)備；

（3）管道：PVC管道，根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)配備；

（4）主要設(shè)備配置及電滲析操作參數(shù)：

①?gòu)S房：40×10m；

②電源：380V工業(yè)用電；

③功率：電滲析為10kW×50=500kW。三臺(tái)水泵，揚(yáng)程為20m。水泵總功率為20kW×3=60kW。總功率為560kW；

④操作電壓60V；

⑤淡水流量400L · h-1；

⑥濃水流量100L · h-1；

⑦采用自動(dòng)頻繁（2小時(shí)每次）倒電極操作，防止污垢（主要考慮硅酸鹽垢）的生成，提高電滲析設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）超濾產(chǎn)水不經(jīng)過(guò)反滲透工藝，直接采用電滲析工藝脫鹽，控制水回收率為75%的情況下，不僅可將電導(dǎo)率降至可回用到循環(huán)水的水平（控制在500μS · cm-1以下），還能進(jìn)一步降低COD，且噸水能耗僅為0.113KW·h，可見(jiàn)電滲析技術(shù)較反滲透膜的運(yùn)行成本更低；

（2） 因含鹽廢水經(jīng)提標(biāo)處理后達(dá)標(biāo)外排，其水質(zhì)較好，只是電導(dǎo)率較高，通過(guò)串二級(jí)電滲析處理后，淡水電導(dǎo)率可降至745μS · cm-1，COD進(jìn)一步降至2.16 mg · L-1，總的水回收率高達(dá)64.0%，其淡水水質(zhì)達(dá)到回用循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)；

（3）通過(guò)開(kāi)展超濾產(chǎn)水、提標(biāo)外排污水的電滲析試驗(yàn)及效果分析，并根據(jù)公司實(shí)際情況，制定了凈化水聯(lián)合車間電滲析工藝的設(shè)計(jì)方案。