煤化工零排放廢水處理技術分析研究

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摘要：高水耗、高排放是煤化工技術發(fā)展的瓶頸之一，含鹽廢水處理是實現(xiàn)廢水“零排放”和節(jié)水提升的終端環(huán)節(jié)。針對水資源短缺和廢水“零排放”等問題，基于現(xiàn)代煤化工領域“環(huán)保優(yōu)先”、“量水而行”的原則，探討煤化工項目廢水零排放及含鹽廢水處理技術，以為進一步提出現(xiàn)代煤化工含鹽廢水處理與回用的技術優(yōu)化方案提供一定的參考。

關鍵詞：現(xiàn)代煤化工；廢水零排放；含鹽廢水；處理

引言

我國能源資源結構特點為“多煤、缺油、少氣”。近年來，雖然我國煤炭在一次能源消費中的比例逐步降低，但未來相當長的一段時期，煤炭仍將占據(jù)基礎能源地位［1］。然而，大規(guī)模的煤炭燃燒是我國霧霾產(chǎn)生的重要原因之一?，F(xiàn)代煤化工有利于促進煤炭更清潔和高效化開發(fā)利用，已成為當前我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領域。但是，能源生產(chǎn)利用的同時又是工業(yè)耗水及廢水排放的重點領域，對于人均水資源相對匱乏的我國而言，降低其水耗、減少廢水排放要求更為迫切。為了不讓水問題成為制約現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，近年來針對其先進節(jié)水工藝技術和裝備的研發(fā)成果越來越多，為新建現(xiàn)代煤化工項目方案設計和具體實施提供了更多選擇，極大程度上促進了產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［2］。

1現(xiàn)代煤化工過程水系統(tǒng)及特點分析

1．1現(xiàn)代煤化工過程水系統(tǒng)

水是工業(yè)的血液，任何工業(yè)生產(chǎn)都離不開水。在現(xiàn)代煤化工主要反應過程中，氣化、變換、部分分離及反應等單元都需要補充水參與反應，需要大量的循環(huán)冷卻水進行熱物料的冷卻，且會生成外排工藝廢水。可以說，煤化工過程實際也是水系統(tǒng)反應、循環(huán)和排放的集成過程［3］。一般情況下，我們把煤化工耗水分為工藝水、循換熱水、動力用水、廢水（污水）等幾大類，如圖1所示。

1．2現(xiàn)代煤化工過程水耗現(xiàn)狀與特點

據(jù)相關研究顯示，因原料稟賦特征，“十一五”、“十二五”時期建成的現(xiàn)代煤化工示范項目，項目單位水耗普遍較高。隨著煤炭深加工示范項目在建成穩(wěn)定運行后，相關人員在工程用水、水系統(tǒng)優(yōu)化方面的管理水平逐步提高。目前現(xiàn)代煤化工過程水耗有如下三大特點：1）因其反應過程及生產(chǎn)特點，現(xiàn)代煤化工是高耗水行業(yè)，但在國民經(jīng)濟貢獻方面，其萬元工業(yè)增加值水耗相對并不高；2）隨著項目單位與研究院所、設計院不斷攻關，現(xiàn)代煤化工項目陸續(xù)進入優(yōu)化完善階段，項目的單位水耗有了大幅度的下降；3）在國家政策的嚴格要求下，對煤化工水系統(tǒng)過程進行不斷優(yōu)化開發(fā)，在建、擬建項目水耗可進一步下降［4］。

2現(xiàn)代煤化工含鹽廢水特性分析

煤化工產(chǎn)生的工藝、工業(yè)廢水及生活污水等，通過系統(tǒng)水汽蒸發(fā)、回用水的再生等途徑，形成高含鹽廢水。這種經(jīng)過特殊、生化和膜濃縮處理后的含鹽廢水的處理，是現(xiàn)代煤化工過程水系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵步驟。近年來，我國政府及相關部門對濃鹽水處理要求明顯提高，尤其進入“十二五”中后期和“十三五”以來，國家對新的現(xiàn)代煤化工項目基本都是實現(xiàn)廢水“零排放”和節(jié)水提升?？梢?，我國對現(xiàn)代煤化工含鹽廢水處理與回用技術優(yōu)化的重視程度。

2．1廢水鹽分的源解析

隨著煤化工用水量的增大以及循環(huán)使用倍率的增加，通常廢水經(jīng)過逐級利用、處理，最終產(chǎn)生了大量的濃鹽水。煤化工含鹽廢水成分復雜，多數(shù)來源于項目全廠回用系統(tǒng)的反滲透濃水。高濃鹽水不僅導致污水處理系統(tǒng)不能正常運行，還會影響水體生態(tài)環(huán)境和污染地下水，引起土壤鹽漬化，同時還會造成金屬管道和設備的腐蝕，影響處理設施的壽命。從源頭上看，含鹽廢水中的鹽分主要來源于新鮮工業(yè)水及不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括除鹽水站排水、生產(chǎn)工藝過程廢水、廢水處理過程廢水、循環(huán)排污水、回用水系統(tǒng)、及其他廢水。

2．2含鹽廢水的水質(zhì)特點

一般來說，煤化工生產(chǎn)過程中，除鹽水系統(tǒng)排水TDS濃度為2500mg／L～3500mg／L，這部分廢水硬度較大、鹽含量高；煤氣化排放工藝廢水的TDS濃度在1000mg／L～1500mg／L，這類廢水COD、氨氮、含鹽量等污染物的含量較高；循環(huán)水場排放廢水的TDS濃度約為1800mg／L～2600mg／L，這類廢水CODcr、濁度、含鹽量高［5］。

3煤化工含鹽廢水處理技術路線分析

據(jù)相關研究顯示，含鹽廢水“零排放”是實現(xiàn)煤化工項目廢水不外排的關鍵，雖然當前煤化工濃鹽水處理尚處于技術研發(fā)和部分示范階段，但已形成較為成熟的處理模式。

3．1濃鹽水處理工藝技術及特性分析

含鹽廢水處理一般可以分三個步驟：1）預處理。此階段主要通過添加軟化劑、絮凝劑、混凝劑等藥劑，進行物理及化學除雜，除去水中經(jīng)過前一階段濃縮的硬度、COD等易引起結垢等因子，降低水中大部分硬度等，同時協(xié)同去除部分COD，降低后續(xù)處理工序結垢風險。常見的預處理主要有澄清池、高密池以及化學沉淀方法等，每種方法有其自身的優(yōu)缺點。其中，加速澄清池通過機械攪拌方式，將廢水進行混凝、反應、沉淀等綜合處理工藝單元。該工藝對水量以及其中的離子濃度變化有很強的適應性，但機械攪拌時耗能大、腐蝕嚴重、維修困難。高密度沉淀池是在混凝階段加入高密度不溶性的介質(zhì)顆粒，以加快絮體的“生長”和沉淀。該工藝是基于快速沉淀的載體絮凝技術而設計的，投資造價低、占地面積小和抗沖擊性強。與澄清池、高密池不同，化學沉淀利用添加藥劑與廢水中的金屬離子進行化學反應，包括氫氧化鈉－碳酸鈉法以及石灰－碳酸鈉法等，進而形成固體沉淀和實現(xiàn)廢水軟化。目前，化學沉淀一般需與加速澄清池、高密池等組合使用，可以高效去除廢水中的Ga2＋、Mg2＋、SO2－4等離子，但其存在的缺點主要是污泥產(chǎn)生量大。2）深度濃縮?，F(xiàn)代煤化工含鹽廢水經(jīng)過預處理后，最終會以蒸發(fā)結晶的方式實現(xiàn)廢水不外排。為了減少蒸發(fā)結晶工序的處理負荷，同時為節(jié)省費用和提高水資源回用率，在廢水“零排放”的要求下，一般在預處理后和蒸發(fā)結晶前增加深度濃縮工序。與海水相比，高鹽水成分更為復雜，主要有機物濃度高，目前含鹽廢水深度濃縮工藝主要包括SWRO、HERO、DTRO／STRO等。其中，近年來海水淡化反滲透膜濃縮（SWRO）工作壓力大幅降低至2．5MPa～4．5MPa，膜體壽命可達到2年以上，能將1％～2％的高鹽水濃縮至6％～7％，回收率可達12％以上，海水利用率可達到到60％。高效反滲透（HERO）是在傳統(tǒng)技術工藝參數(shù)上的優(yōu)化創(chuàng)新，可以強化多價離子的深度脫除，有效降低膜污染，同時酸堿適應性較強，且一般廢水中的鹽可以濃縮到7％左右。DTRO／STRO是用以處理含鹽廢水的反滲透膜處理的一種技術，加強前序環(huán)節(jié)的預處理是保證其穩(wěn)定運行的關鍵，同時抗污染性能顯著好于常規(guī)反滲透膜，但由于DTRO的投資和運行成本相對較高，且依然存在反滲透的膜污染問題，一般使用SWRO預濃縮到6％后，再通過DTRO進行再次濃縮至10％～12％。3）蒸發(fā)濃縮。蒸發(fā)結晶過程一般由蒸發(fā)、結晶兩段組成。在現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中，含鹽廢水經(jīng)過膜濃縮后，含鹽量進一步增加，因此需要進行蒸發(fā)濃縮。目前，使用較多的有MED和MVR。其中，多效蒸發(fā)（MED）是通過具有雙側(cè)相變傳熱的兩個或多個蒸汽串聯(lián)系統(tǒng)，實現(xiàn)多級蒸發(fā)的效果。在同樣處理條件下，MED傳熱面積較低，循環(huán)量更低，動力消耗也較少。同時，在正常操作情況下，MED操作的靈活性很大，也不會帶來產(chǎn)水率的下降。機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)（MVR）將自產(chǎn)的二次蒸汽，吸入壓縮機進行壓縮，并作為后續(xù)蒸發(fā)的熱源，即在整個蒸發(fā)處理過程中，無需新增蒸汽。此工藝不需要配置大型冷卻裝置，控制系統(tǒng)相對簡單，占地面積和公共配套較少，對外界能源的需求也少，工程總投資費用也較低，因此應用較多廣泛。

3．2基于處理回用的含鹽廢水“零排放”處理

含鹽廢水如果直接進入蒸發(fā)結晶環(huán)節(jié)，則能耗和投資較高。然而，含鹽廢水一般富集了脫鹽水站、循環(huán)水場等多股水流，如果僅追求降低蒸發(fā)結晶的能耗和投資，則會導致另一種情況的出現(xiàn)，即不能完全保證和滿足預處理、濃鹽水處理階段的膜濃縮設備規(guī)模和負荷。因此，為了更好的達到處理回用的含鹽廢水“零排放”，綜合考慮能耗、投資、設備規(guī)模和負荷等，目前一般采用“初步處理＋濃鹽水處理（濃縮）＋高濃鹽水處理（蒸發(fā)結晶）”的方式，主要工藝流程，如圖2所示。其中，初步處理的廢水量一般較大，多采用反滲透處理工藝；初步處理后的濃鹽水的水量仍然較大，需要通過HERO、FO、ED、納濾膜濃縮等進一步的濃縮處理；高濃度鹽水不適宜膜濃縮，主要通過MED、MVR和多效閃蒸（MSF）等蒸發(fā)結晶。值得注意的是，高濃鹽水的蒸發(fā)結晶過程具有復雜、投資規(guī)模大等特點，已經(jīng)成為制約現(xiàn)代煤化工廢水是否“真正”“零排放”關鍵。

3．3基于污水處理的含鹽廢水“零排放”處理

蒸發(fā)塘是大部分現(xiàn)代煤化工項目所采用的一種含鹽廢水“零排放”處理技術。其中，自然蒸發(fā)塘的設計需要綜合考慮多個因素，且需要配套防滲防腐措施。在空間布局上，由于含鹽廢水在經(jīng)初步處理后，濃縮廢水被送到蒸發(fā)塘，故一般需要建設調(diào)節(jié)池以及廢水蒸發(fā)池、濃縮池和結晶池。機械強制蒸發(fā)技術是在傳統(tǒng)自然蒸發(fā)技術上的改進，可以大幅提高水汽的蒸發(fā)速度，進而減少蒸發(fā)塘的占地面積?；谖鬯疁p排的含鹽廢水“零排放”處理工藝，如圖3所示。值得注意的是，蒸發(fā)塘工藝可以實現(xiàn)廢水的“零排放”，但由于后續(xù)廢水基本全部通過蒸發(fā)進入大氣，且水資源沒有實現(xiàn)充分回收利用，故仍具有一定的環(huán)保困境。

4結語

綜上所述，含鹽廢水處理及回用是現(xiàn)代煤化工水系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，處理一般包括預處理、深度濃縮、蒸發(fā)結晶等步驟。通過對我國多地現(xiàn)代煤化工廢水零排放技術的實踐及文獻調(diào)研，主要以環(huán)保和節(jié)水為目標“回收利用”，以及以環(huán)保為目標的“污水處理”兩種路線為主，在極大程度上促進了產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。然而，目前大部分處理工藝技術尚處于試驗示范階段，且通過對不同含鹽廢水“零排放”進行的綜合對比發(fā)現(xiàn)，投資、成本、能耗過高是重要共性制約因素，甚至在很多情況下，煤化工項目含鹽廢水的處理成本遠高于節(jié)水的直接效益，影響了企業(yè)廢水深度處理的積極性。為此，下一步相關人員需要進一步提高對典型煤化工技術的全產(chǎn)業(yè)鏈進行生命周期水耗分析，以為煤化工項目廢水零排放及含鹽廢水處理提供參考。

參考文獻：

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作者：李艷芳 單位：山西省呂梁市環(huán)境科學研究所