煤化工中水回用反滲透膜性能提升及膜組比例設(shè)置研究

葉飛,賀飛,肖杰,朱德漢,李成,楊繼廣

(1.國能新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 831404;2.濟寧波塞頓環(huán)保技術(shù)有限公司,山東 濟寧 272499)

煤化工產(chǎn)業(yè)對水資源的消耗比較嚴重,已成為制約煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素,特別在新疆、內(nèi)蒙等地區(qū),雖然煤炭資源豐富,但面臨水資源緊張和缺乏納污水體、排污受限的問題,因此項目實施了廢水“零”排放方案,以破解當(dāng)?shù)厮Y源和水環(huán)境承載力對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的矛盾問題[1]。為了提高水的利用率,近幾年幾乎所有的項目均要求按水的零排放進行設(shè)計與改造。反滲透水處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于零排放項目中作為廢水減量與水回用的核心技術(shù)工藝得到廣泛應(yīng)用。

雖然反滲透膜技術(shù)在中水回用中應(yīng)用廣泛,因煤化工中水水源與水質(zhì)比較復(fù)雜,且水中污染物成分隨不同化工裝置的運行狀況與前污水處理裝置的運行狀況而波動,導(dǎo)致目前煤化工中水回用裝置反滲透系統(tǒng)普遍存在膜污堵嚴重、化學(xué)清洗頻繁、膜元件使用壽命短的情況。一些中低含鹽量水質(zhì)(2 000～4 000 mg/L)的中水回用反滲透裝置,因未設(shè)段間增壓泵,在實際運行中發(fā)現(xiàn)二段反滲透膜元件回收率大大低于設(shè)計值,產(chǎn)水電導(dǎo)遠遠高于設(shè)計值,導(dǎo)致裝置整體產(chǎn)水電導(dǎo)下降,膜使用壽命縮短[2]。

本次項目的中試地址位于新疆某大型煤化工企業(yè),該企業(yè)廢水零排放項目2015年投用,中水回用膜系統(tǒng)未設(shè)計段間增壓泵,實際運行中也遇到上述類似問題。中試裝置水源與現(xiàn)有裝置同一水源,設(shè)計進水量40 m3/h,中試裝置反滲透一二段配置比例能調(diào)整,一二段之間能選擇采用段間增壓泵增加與不增壓兩種模式,通過中試裝置的實際運行情況,尋求不同運行工況情況下反滲透膜性能提升情況與最佳膜組比例。

1 項目零排放工藝介紹與中試裝置工藝介紹

1.1 中試項目設(shè)計水質(zhì)

設(shè)計進水水質(zhì)如表1。

表1 中試設(shè)計進水水質(zhì)

1.2 現(xiàn)有企業(yè)中水回用膜系統(tǒng)處理工藝流程與中試裝置工藝設(shè)計

煤化工中水回用膜系統(tǒng)處理工藝為:高密池→V型濾池→自清洗過濾器→超濾→反滲透保安過濾器→反滲透,設(shè)計回收率為75%。反滲透產(chǎn)水作為化學(xué)脫鹽水車間與循環(huán)水系統(tǒng)補水水源,反滲透濃水進零排放系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)有 6×187.5 m3/h 反滲透裝置,其中一套動態(tài)備用。目前單套反滲透實際進水量約為230 m3/h,產(chǎn)水量約為170 m3/h,化學(xué)清洗周期約為15～20 d,單套反滲透裝置按一級兩段設(shè)計,一二段設(shè)計膜的數(shù)量比例為35∶21(后調(diào)整為35∶17,35∶14),每支壓力容器裝6支膜元件[3]。

中試設(shè)備進水與現(xiàn)有裝置同一水源,為中水回用系統(tǒng)超濾產(chǎn)水,取自反滲透裝置進水母管。

具體流程設(shè)置見圖1與圖2。

圖1 反滲透中試裝置流程設(shè)置圖

圖2 反滲透中試裝置工藝流程設(shè)計圖

中試裝置共配置7支壓力容器,每支內(nèi)裝6支反滲透膜元件,反滲透膜元件采用抗污染型號。通過壓力容器進出水管路閥門配置,可實現(xiàn)一、二段壓力容器膜的數(shù)量排列比例為:5∶2與4∶2兩種排列比例。

在反滲透一二段之間設(shè)置了段間增壓泵,并設(shè)有旁路,可實現(xiàn)無段間增壓與段間增壓兩種運行方式。

每支壓力容器均設(shè)有取樣閥,用于中試過程中水樣的接取與分析。

中試裝置設(shè)有流量、壓力、電導(dǎo)、pH值等儀表,用于數(shù)據(jù)收集。

2 中試裝置運行方案與數(shù)據(jù)分析

2.1 中試裝置運行方案與時間安排

為了保證達到中水回用反滲透膜性能提升及膜組比例設(shè)置研究項目的目的,通過中試設(shè)備的運行取得足夠全面的供研究的現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù),設(shè)備運行分三個階段實施:第一階段主要研究在無增壓泵的工藝條件下,不同膜組比例情況下,中試裝置反滲透產(chǎn)水水質(zhì),主要解決不同膜組排列對反滲透裝置產(chǎn)水品質(zhì)的影響,具體安排如表2。

表2 中試裝置運行方案與時間安排

2.2 中試裝置運行數(shù)據(jù)與分析

從圖3～5運行數(shù)據(jù)可以看出:

圖3 中試裝置總脫鹽率運行曲線

圖4 中試裝置二段脫鹽率運行曲線

圖5 驗證階段中試裝置與系統(tǒng)對照裝置脫鹽率運行曲線

(1)在無段間增壓泵的運行模式下,通過中試數(shù)據(jù)可以得出,膜組4∶2排列產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于5∶2產(chǎn)水水質(zhì)。

(2)在有段間增壓泵的運行模式下,通過中試數(shù)據(jù)可以得出,膜組4∶2排列產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于5∶2產(chǎn)水水質(zhì),且產(chǎn)水水質(zhì)明顯優(yōu)于無段間泵。

(3)從產(chǎn)水電導(dǎo)的測試數(shù)據(jù)可以看出,增設(shè)段間泵二段脫鹽率提高15%左右。

(4)業(yè)主對照裝置2021年末新更換了反滲透膜,剛更換的新反滲透膜脫鹽率在96%左右。從驗證時間階段曲線可以看出,設(shè)計段間泵后,中試裝置產(chǎn)水整體脫鹽率高于現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備,特別是二段脫鹽率,中試裝置有了明顯的提高,基本避免了現(xiàn)有運行裝置二段脫鹽率低,且二段反滲透膜產(chǎn)水量低的實際情況。

(5)通過膜組4∶2與5∶2的實際運行數(shù)據(jù)看,增加一段膜組比例,雖然降低了進水壓力,但是產(chǎn)水電導(dǎo)率有所提高,但化學(xué)清洗周期有所縮短。

(6)在中試裝置一段有2支壓力容器內(nèi)分別填裝2個國產(chǎn)主流品牌的膜元件,其余5支壓力容器內(nèi)填裝與業(yè)主一致的進口品牌膜元件。試驗結(jié)果表明,國產(chǎn)品牌反滲透總體上各項性能參數(shù)與進口品牌差距不大,其中某國產(chǎn)品牌與進口品牌無明顯差距,據(jù)了解其具有近20年的生產(chǎn)歷史,其市場占有率已經(jīng)連續(xù)幾年穩(wěn)居國內(nèi)前三,說明未來國產(chǎn)品牌替代進口品牌將是發(fā)展趨勢。

3 經(jīng)濟分析

中試裝置的運行方式、加藥方案基本保持與項目大系統(tǒng)運行設(shè)備一致,從中試實際結(jié)果看,增設(shè)段間增壓泵后,反滲透裝置整體脫鹽率可提高2%左右,二段脫鹽率可提高15%左右,化學(xué)清洗周期延長50%以上。按反滲透裝置總體脫鹽率低于94%進行膜更換為標準。經(jīng)了解,項目業(yè)主反滲透膜實際使用壽命約2.5年,新更換膜的初始脫鹽率接近97%,年脫鹽率下降約1.1%,中試設(shè)備有段間增壓泵初始脫鹽率接近99%,比不設(shè)段間增壓泵提高2%左右,同比條件下,可提高使用壽命80%左右。

有段間增壓泵情況下,化學(xué)清洗周期整體延長了30%左右,反滲透膜元件的使用壽命,與化學(xué)清洗有直接關(guān)系,目前尚無準確科學(xué)數(shù)據(jù)作為參考,本項目暫時按提高膜使用壽命20%計算。

二者合計可提高膜使用壽命100%計算,本項目總計使用膜元件1 872支(按35∶17計),采購價格3 500元/支,則采用增壓泵設(shè)置,僅換膜費用年均節(jié)約:1 872×3 500/2.5=262.08萬元。

采取段間增壓泵后,反滲透裝置初始出水水質(zhì)脫鹽率提高了2%左右,大大改善了后續(xù)用水用戶循環(huán)水與化水車間的用水水質(zhì),因水質(zhì)提高造成的用戶潛在節(jié)約費用也是非常大的,不再詳細核算。

4 結(jié)論

中試設(shè)備經(jīng)過為期5個月的運行系統(tǒng),在增設(shè)段間增壓泵的情況下,反滲透裝置整體產(chǎn)水脫鹽率可提高2%左右,其中二段產(chǎn)水脫鹽率可提高15%左右,化學(xué)清洗周期延長30%以上。

市場上主流膜生產(chǎn)商均有設(shè)計軟件向設(shè)計單位、工程公司提供膜系統(tǒng)設(shè)計參考,但對于設(shè)計段間泵的條件并未給出具體參考指標。對于煤化工中水回用水質(zhì),因反滲透裝置易發(fā)生污堵的客觀現(xiàn)實情況,運行中反滲透裝置內(nèi)膜元件實際運行工況已經(jīng)與設(shè)計軟件模擬的工況發(fā)生偏離。經(jīng)了解,類似中試業(yè)主煤化工中水回用反滲透系統(tǒng)不設(shè)段間增壓泵的情況不是個例,同樣碰到類似的問題。建議在煤化工中水回用膜系統(tǒng)中,對于含鹽量在1 500～2 500 mg/L中水水質(zhì),考慮設(shè)計段間增壓泵,含鹽量越高,增設(shè)段間增壓泵的效果越明顯。

反滲透技術(shù)在煤化工水的零排放項目中得到越來越廣泛的應(yīng)用,但是反滲透膜在如此復(fù)雜的水處理項目上大規(guī)模的應(yīng)用上也是近幾年才開始的,在實際運行過程中各項目都或多或少碰到各種問題。希望本文中對于類似項目反滲透系統(tǒng)設(shè)計的建議能夠為以后膜行業(yè)技術(shù)人員與工程設(shè)計人員提供有益的幫助。