高效反渗透技术在煤化工废水零排放中的应用

来源：《煤炭加工与综合利用》

某煤化工项目是以煤为原料生产180万t/a甲醇，采用具有自主知识产权的SHMTO技术将甲醇转化为烯烃并进一步生产聚乙烯、聚丙烯等最终产品的大型一体化煤制烯烃项目。该项目包括煤气化、净化（含变换及酸性气脱除）、硫回收、甲醇合成、甲醇制烯烃及烯烃分离、C4烯烃转化、低密度聚乙烯、聚丙烯等8套工艺生产装置和3套空分装置，以及配套的自备电站（含化水站）、净水场、循环水场、污水处理场、罐区等公用工程、辅助设施及厂外工程等。该项目地处新疆，面临水资源紧张和缺乏纳污水体、排污受限等问题，因此项目实施了废水“零”排放方案，以破解当地水资源和水环境承载力对企业可持续发展的矛盾问题。该项目产生的废水成分复杂、污染物种类多、浓度高，废水处理充分贯彻清污分流、污污分治、一水多用、节约用水的原则，对不同水质的废水分别进行处理，最大限度地提高水的重复利用率及废水资源化率。根据来水水质的不同，该项目污水处理场优化集成了各种不同的组合工艺，主要包括污水生化处理装置、含盐废水膜处理装置、高效膜浓缩装置以及浓盐水蒸发结晶装置等，其中高效膜浓缩装置采用了高效反渗透（HEROTM）zhuanli工艺技术，可以对常规反渗透浓液进一步浓缩，极大降低后续蒸发结晶装置的规模，有效降低废水处理的投资成本和运行成本，在废水“零”排放集成工艺中发挥了重要作用。本文详细介绍了高效反渗透工艺的技术特点和技术优势，并对高效膜浓缩装置采用该技术的设计与运行情况进行总结，给出了装置的实际运行效果，并对处理工艺流程及各处理单元工艺的主要设计参数和功能等进行了说明。

1 高效反渗透工艺（HEROTM）

HEROTM工艺（中国zhuanli号：ZL97197289.3）是在上世纪90年代，在常规反渗透技术上发展起来的，它克服了单纯离子交换和反渗透各自的缺点，结合了离子交换和反渗透各自的优点，是目前较为先进的一种浓盐水处理技术。其核心的工艺原理是：采用离子交换将水中的硬度去除，大部分的盐分靠反渗透去除；同时，反渗透在高pH条件下运行，硅主要是以离子形式存在，不会污染反渗透膜并可通过反渗透去除；而水中的有机物在高pH条件下皂化或弱电离，不会造成膜的有机物和生物污染。相对于常规反渗透技术，高效反渗透技术具有更高的水回收率，在高浓缩倍率情况下，抗有机物污染、生物污堵和结垢性污染的能力显著增强。

1.1高效反渗透工艺的技术特点与技术优势：高效反渗透工艺具有如下技术特点与优势。①抗有机物污染强；②抗生物污染强；③抗颗粒性/胶体污染型强；④无硅的污染并有极高的去除率；⑤无难溶盐的污染。

1.2高效反渗透与常规反渗透：高效反渗透与常规反渗透的各项指标差异详见表1。

2 装置设计基础

2.1设计进水水量与水质：高效膜浓缩装置设计处理量为375m3/h，废水来源于含盐废水膜处理装置的常规反渗透浓缩液，含盐废水膜处理装置主要处理循环冷却水排污水、化学水处理站排污水以及污水生化处理装置的产水。设计进水水质条件详见表2，盐分质量浓度约6000mg/L。

2.2设计产水水量与水质：高效膜浓缩装置的产水水质好，称为优质再生水，系统设计水回收率90%以上，可替代生产给水作为除盐水站的原水、循环水系统补充水、冲洗用水、采暖热网补充水、工艺用水等，其水质控制指标见表3。

经膜浓缩后的浓水盐分质量浓度在60000mg/L左右。

3 装置的工艺设计

3.1处理工艺流程：高效膜浓缩装置的处理工艺如图1所示。

该装置主要包含化学软化澄清、深度除硬/脱碳预处理、超滤/高效反渗透系统、产品水精处理系统等。

上游含盐废水膜处理装置产生的RO浓水进入高效膜浓缩进料水罐后进行水量和水质的调节。根据废水硬度很高的特点，设置石灰、纯碱软化处理。向原水中投加石灰和纯碱以去除水中的硬度，经高效沉淀池去除固体悬浮物后，泵入剩余硬度去除系统去除水中的剩余硬度，硬度去除采用两级离子交换，一级采用强酸钠离子软化器，在此去除大部分的剩余硬度，二级采用弱酸阳离子交换器，去除剩余的所有硬度，脱除硬度后的软水送至脱气塔，以脱除水中大部分的CO2，产水中CO2小于5mg/L。脱碳后产水经超滤成套设备过滤后，由反渗透进水泵提升至保安过滤器，去除水中可能存在的直径大于5μm的颗粒，然后由反渗透高压泵增压后送入高效反渗透单元。反渗透的产水送至反渗透HERO产水—再生水池。然后将该池中的反渗透产水再泵入强酸阳床交换器（SAC）除氨系统，经过最终的精处理后，出水进入优质再生水回用水罐（SAC产品水水箱）。经反渗透（HERO）浓缩后的浓水储存于HERO浓水中间池，再通过反渗透浓水泵送至后续的蒸发结晶单元。

钠离子软化器和弱酸阳离子交换器再生废液均送至再生废水池，经再生废水泵送到蒸发结晶单元。强酸阳离子交换器再生废液进入到SAC强酸阳床再生废液水池，经SAC再生废水泵送到设置在生化装置臭气处理单元的SAC再生废水脱氨塔处理，处理后的废水再送至蒸发结晶单元处理。

3.2主要处理工艺单元

3.2.1高效膜浓缩进料水罐：用于浓盐水高效膜浓缩单元进水的水质水量调节。按处理能力（375m3/h）的16h设计。主要参数如下：数量：2台，外形尺寸：φ16000mm×16500mm，有效容积：3000m3，材质：碳钢+防腐+保温。

3.2.2石灰软化澄清池（高效沉淀池）：用于浓盐水的石灰—纯碱软化处理，降低出水的硬度。主要参数如下：数量：1座，设计处理水量：435m3/h。外形尺寸：混凝反应池（3631-T-002）：2400mm×2400mm×5200mm，Ve=26.4m3，停留时间：3.64min，1座；石灰反应池（3631-T-003）：2400mm×2400mm×5200mm，Ve=26.4m3，停留时间：3.64min，1座；纯碱反应池池：2400mm×2400mm×5200mm，Ve=26.4m3，停留时间：3.64min，1座；絮凝池：3000mm×3000mm×5000mm，Ve=41.4m3，停留时间：5.71min，2座；单个澄清池：φ6000mm×5300mm，表面负荷L=7.69m3/（m2/h），2座。主要材质：钢混。

3.2.3石英砂过滤器：用于浓盐水的过滤，降低水中的浊度。主要参数如下：数量：3台（2用1备），设计处理水量：432m3/h，压力：0.6MPa，单台尺寸：φ3200mm×7000mm（卧式），滤料：砾石5.28m3，石英砂18.49m3，罐体材质：碳钢+衬塑。

3.2.4钠离子软化器：用于石英砂过滤器产水的阳离子交换，降低水中的大部分硬度。主要参数如下：数量：4台（3用1备），设计处理水量：425m3/h，设计压力：0.6MPa，尺寸：φ3400mm×2800mm（立式），树脂类型：强酸型，数值型号：AMBERJET1000Na，树脂体积：12.36m3，罐体材质：碳钢+衬塑。

3.2.5弱酸阳床：去除钠离子软化器产水的剩余硬度。主要参数如下：数量：4台（3用1备），设计处理水量：417m3/h，设计压力：0.6MPa，尺寸：φ2800mm×2800mm（立式），树脂类型：弱酸型，数值型号：AMBERLITEIRC86，树脂体积：6.16m3，罐体材质：碳钢+衬塑。

3.2.6脱碳塔：空气吹脱，脱去弱酸阳床产水中的CO2。主要参数如下：数量：2台，设计处理水量：416m3/h，设计压力：大气压，尺寸：φ2400mm×3900mm（立式），数值型号：拉西环，树脂体积：9.05m3，罐体材质：碳钢+衬塑

3.2.7超滤膜组：用于RO膜组前的深度处理，进一步降低废水的SDI值，主要参数如下：数量：3组，设计处理水量：412m3/h，单组进水能力：Q=165m3/h，回收率：≥90%，膜通量：≤50L/（m2˙h），设计压力：P=0.2MPa，最大进水组件压力（40℃时）：0.3MPa，最大跨膜压差（TMP）：ΔP=0.21MPa，最大气洗流量：12m3/hr，最大反洗压力：0.25MPa，最大NaClO耐受浓度：1000mg/L，最大悬浮物耐受浓度：100mg/L，最高浊度：300NTU，最大颗粒物粒径：300μm，预期产水浊度：≤0.1NTU，预期产水SDI：≤0.25。

3.2.8一级二段RO膜组：用于浓盐水的脱盐处理，得到优质再生水，主要参数如下：数量：3组，设计处理水量：370m3/h，单组进水能力：Q=185m3/h，设计膜通量（15℃）：≤15L/（m2˙h），回收率：≥90%，单组产水水量：≥164.5m3/h，总的产水量：≥329m3/h，正常运行温度：10~30℃。

3.2.9强酸阳床：去除RO膜组产水中的氨。主要参数如下：数量：3台（2用1备），设计处理水量为：328m3/h，设计压力：0.36MPa，尺寸：φ2800mm×2600mm（立式），树脂类型：强酸型，数值型号：AMBERLJET1500H，树脂体积：9.18m3，罐体材质：碳钢+衬塑。

4 装置的实际运行情况

4.1各主要工艺单元实际处理效果：该处理装置自2016年3月调试并投入运行以来，一直运行比较稳定，各主要处理工艺单元运行指标均达到设计要求，表4为实际运行的部分数据。

4.2装置运行情况：经过一段时间的运行考验，该装置整个系统运行比较平稳，通过对调试和运行情况以及从性能测试数据的分析，总结如下。（1）高效反渗透回收率和脱盐率效果较好。装置的水回收率达到了90%以上，脱盐率高于97%，完全达到了设计要求。（2）反渗透膜系统运行稳定。该项目采用了美国陶氏公司生产的宽流道抗污染型反渗透膜元件，反渗透进水pH控制在10.5~11之间，反渗透装置的段间压差、产水水量、水质指标等非常稳定。（3）水中的钙、镁、铁等二价、三价金属离子的结垢问题在预处理得到了控制。在石灰、纯碱软化和离子交换去除了水中残留的硬度及碱度，实际运行过程中，控制钠离子交换器的实效终点为50mg/L，弱酸离子交换器的实效终点为1mg/L。（4）二氧化硅的控制。高效澄清池去除了一部分进水中的二氧化硅，反渗透入口投加少量的控制硅污染的阻垢剂，该阻垢剂同时还具有控制钙镁垢的作用。（5）悬浮物、有机物、和微生物的控制。虽然进水含有一定量的COD，但预处理对COD有少量的去除，反渗透在高pH条件下运行，有机物的污染得到了控制。反渗透的段间压差也基本维持稳定，没有出现悬浮物、有机物污堵。

4.3运行成本分析：该项目高效膜浓缩装置自2016年年初运行以来，到目前已经运行近一年的时间，总计处理工业废水近150万t，回收优质再生水近130万t，优质再生水替代生产水作为循环水系统的补水，生产水的处理成本约5元/t，优质再生水的处理成本也在5元/t左右，处理费用基本可以抵消。另外，优质再生水的水质明显优于生产水，用优质再生水替代生产水作为循环水系统的补水，补充到循环水系统后能进一步增加循环水的浓缩倍数，减少排污，进一步节约了生产成本。

5 结论

（1）高效反渗透技术以完善的预处理措施和高回收率的优势在很多工业污水项目上发挥出了优势，并且具备膜结垢污堵频次低，出水水质稳定等优点，同时在投资、运行管理等方面也表现出明显的优势，是目前高含盐废水的有效处理方法之一。

（2）高效反渗透技术能够很好的解决浓盐水减量化的问题，在含盐污水膜法处理和热法处理之间搭建一座平台，铺设了一条捷径，具有可观的经济效益、社会效益。