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高效反滲透技術在煤化工廢水零排放中的應用
http://www.gyfsfp.live 2018-02-22 08:43:17 來源:《煤炭加工與綜合利用》

某煤化工項目是以煤為原料生產180萬t/a甲醇,采用具有自主知識產權的SHMTO技術將甲醇轉化為烯烴并進一步生產聚乙烯、聚丙烯等最終產品的大型一體化煤制烯烴項目。該項目包括煤氣化、凈化(含變換及酸性氣脫除)、硫回收、甲醇合成、甲醇制烯烴及烯烴分離、C4烯烴轉化、低密度聚乙烯、聚丙烯等8套工藝生產裝置和3套空分裝置,以及配套的自備電站(含化水站)、凈水場、循環水場、污水處理場、罐區等公用工程、輔助設施及廠外工程等。該項目地處新疆,面臨水資源緊張和缺乏納污水體、排污受限等問題,因此項目實施了廢水“零”排放方案,以破解當地水資源和水環境承載力對企業可持續發展的矛盾問題。該項目產生的廢水成分復雜、污染物種類多、濃度高,廢水處理充分貫徹清污分流、污污分治、一水多用、節約用水的原則,對不同水質的廢水分別進行處理,最大限度地提高水的重復利用率及廢水資源化率。根據來水水質的不同,該項目污水處理場優化集成了各種不同的組合工藝,主要包括污水生化處理裝置、含鹽廢水膜處理裝置、高效膜濃縮裝置以及濃鹽水蒸發結晶裝置等,其中高效膜濃縮裝置采用了高效反滲透(HEROTM)專利工藝技術,可以對常規反滲透濃液進一步濃縮,極大降低后續蒸發結晶裝置的規模,有效降低廢水處理的投資成本和運行成本,在廢水“零”排放集成工藝中發揮了重要作用。本文詳細介紹了高效反滲透工藝的技術特點和技術優勢,并對高效膜濃縮裝置采用該技術的設計與運行情況進行總結,給出了裝置的實際運行效果,并對處理工藝流程及各處理單元工藝的主要設計參數和功能等進行了說明。

1 高效反滲透工藝(HEROTM)

HEROTM工藝(中國專利號:ZL97197289.3)是在上世紀90年代,在常規反滲透技術上發展起來的,它克服了單純離子交換和反滲透各自的缺點,結合了離子交換和反滲透各自的優點,是目前較為先進的一種濃鹽水處理技術。其核心的工藝原理是:采用離子交換將水中的硬度去除,大部分的鹽分靠反滲透去除;同時,反滲透在高pH條件下運行,硅主要是以離子形式存在,不會污染反滲透膜并可通過反滲透去除;而水中的有機物在高pH條件下皂化或弱電離,不會造成膜的有機物和生物污染。相對于常規反滲透技術,高效反滲透技術具有更高的水回收率,在高濃縮倍率情況下,抗有機物污染、生物污堵和結垢性污染的能力顯著增強。

1.1高效反滲透工藝的技術特點與技術優勢:高效反滲透工藝具有如下技術特點與優勢。①抗有機物污染強;②抗生物污染強;③抗顆粒性/膠體污染型強;④無硅的污染并有極高的去除率;⑤無難溶鹽的污染。

1.2高效反滲透與常規反滲透:高效反滲透與常規反滲透的各項指標差異詳見表1。

高效反滲透技術在煤化工廢水零排放中的應用

2 裝置設計基礎

2.1設計進水水量與水質:高效膜濃縮裝置設計處理量為375m3/h,廢水來源于含鹽廢水膜處理裝置的常規反滲透濃縮液,含鹽廢水膜處理裝置主要處理循環冷卻水排污水、化學水處理站排污水以及污水生化處理裝置的產水。設計進水水質條件詳見表2,鹽分質量濃度約6000mg/L。

高效反滲透技術在煤化工廢水零排放中的應用

2.2設計產水水量與水質:高效膜濃縮裝置的產水水質好,稱為優質再生水,系統設計水回收率90%以上,可替代生產給水作為除鹽水站的原水、循環水系統補充水、沖洗用水、采暖熱網補充水、工藝用水等,其水質控制指標見表3。

高效反滲透技術在煤化工廢水零排放中的應用

經膜濃縮后的濃水鹽分質量濃度在60000mg/L左右。

3 裝置的工藝設計

3.1處理工藝流程:高效膜濃縮裝置的處理工藝如圖1所示。

高效反滲透技術在煤化工廢水零排放中的應用

該裝置主要包含化學軟化澄清、深度除硬/脫碳預處理、超濾/高效反滲透系統、產品水精處理系統等。

上游含鹽廢水膜處理裝置產生的RO濃水進入高效膜濃縮進料水罐后進行水量和水質的調節。根據廢水硬度很高的特點,設置石灰、純堿軟化處理。向原水中投加石灰和純堿以去除水中的硬度,經高效沉淀池去除固體懸浮物后,泵入剩余硬度去除系統去除水中的剩余硬度,硬度去除采用兩級離子交換,一級采用強酸鈉離子軟化器,在此去除大部分的剩余硬度,二級采用弱酸陽離子交換器,去除剩余的所有硬度,脫除硬度后的軟水送至脫氣塔,以脫除水中大部分的CO2,產水中CO2小于5mg/L。脫碳后產水經超濾成套設備過濾后,由反滲透進水泵提升至保安過濾器,去除水中可能存在的直徑大于5μm的顆粒,然后由反滲透高壓泵增壓后送入高效反滲透單元。反滲透的產水送至反滲透HERO產水—再生水池。然后將該池中的反滲透產水再泵入強酸陽床交換器(SAC)除氨系統,經過最終的精處理后,出水進入優質再生水回用水罐(SAC產品水水箱)。經反滲透(HERO)濃縮后的濃水儲存于HERO濃水中間池,再通過反滲透濃水泵送至后續的蒸發結晶單元。

鈉離子軟化器和弱酸陽離子交換器再生廢液均送至再生廢水池,經再生廢水泵送到蒸發結晶單元。強酸陽離子交換器再生廢液進入到SAC強酸陽床再生廢液水池,經SAC再生廢水泵送到設置在生化裝置臭氣處理單元的SAC再生廢水脫氨塔處理,處理后的廢水再送至蒸發結晶單元處理。

3.2主要處理工藝單元

3.2.1高效膜濃縮進料水罐:用于濃鹽水高效膜濃縮單元進水的水質水量調節。按處理能力(375m3/h)的16h設計。主要參數如下:數量:2臺,外形尺寸:φ16000mm×16500mm,有效容積:3000m3,材質:碳鋼+防腐+保溫。

3.2.2石灰軟化澄清池(高效沉淀池):用于濃鹽水的石灰—純堿軟化處理,降低出水的硬度。主要參數如下:數量:1座,設計處理水量:435m3/h。外形尺寸:混凝反應池(3631-T-002):2400mm×2400mm×5200mm,Ve=26.4m3,停留時間:3.64min,1座;石灰反應池(3631-T-003):2400mm×2400mm×5200mm,Ve=26.4m3,停留時間:3.64min,1座;純堿反應池池:2400mm×2400mm×5200mm,Ve=26.4m3,停留時間:3.64min,1座;絮凝池:3000mm×3000mm×5000mm,Ve=41.4m3,停留時間:5.71min,2座;單個澄清池:φ6000mm×5300mm,表面負荷L=7.69m3/(m2/h),2座。主要材質:鋼混。

3.2.3石英砂過濾器:用于濃鹽水的過濾,降低水中的濁度。主要參數如下:數量:3臺(2用1備),設計處理水量:432m3/h,壓力:0.6MPa,單臺尺寸:φ3200mm×7000mm(臥式),濾料:礫石5.28m3,石英砂18.49m3,罐體材質:碳鋼+襯塑。

3.2.4鈉離子軟化器:用于石英砂過濾器產水的陽離子交換,降低水中的大部分硬度。主要參數如下:數量:4臺(3用1備),設計處理水量:425m3/h,設計壓力:0.6MPa,尺寸:φ3400mm×2800mm(立式),樹脂類型:強酸型,數值型號:AMBERJET1000Na,樹脂體積:12.36m3,罐體材質:碳鋼+襯塑。

3.2.5弱酸陽床:去除鈉離子軟化器產水的剩余硬度。主要參數如下:數量:4臺(3用1備),設計處理水量:417m3/h,設計壓力:0.6MPa,尺寸:φ2800mm×2800mm(立式),樹脂類型:弱酸型,數值型號:AMBERLITEIRC86,樹脂體積:6.16m3,罐體材質:碳鋼+襯塑。

3.2.6脫碳塔:空氣吹脫,脫去弱酸陽床產水中的CO2。主要參數如下:數量:2臺,設計處理水量:416m3/h,設計壓力:大氣壓,尺寸:φ2400mm×3900mm(立式),數值型號:拉西環,樹脂體積:9.05m3,罐體材質:碳鋼+襯塑

3.2.7超濾膜組:用于RO膜組前的深度處理,進一步降低廢水的SDI值,主要參數如下:數量:3組,設計處理水量:412m3/h,單組進水能力:Q=165m3/h,回收率:≥90%,膜通量:≤50L/(m2˙h),設計壓力:P=0.2MPa,最大進水組件壓力(40℃時):0.3MPa,最大跨膜壓差(TMP):ΔP=0.21MPa,最大氣洗流量:12m3/hr,最大反洗壓力:0.25MPa,最大NaClO耐受濃度:1000mg/L,最大懸浮物耐受濃度:100mg/L,最高濁度:300NTU,最大顆粒物粒徑:300μm,預期產水濁度:≤0.1NTU,預期產水SDI:≤0.25。

3.2.8一級二段RO膜組:用于濃鹽水的脫鹽處理,得到優質再生水,主要參數如下:數量:3組,設計處理水量:370m3/h,單組進水能力:Q=185m3/h,設計膜通量(15℃):≤15L/(m2˙h),回收率:≥90%,單組產水水量:≥164.5m3/h,總的產水量:≥329m3/h,正常運行溫度:10~30℃。

3.2.9強酸陽床:去除RO膜組產水中的氨。主要參數如下:數量:3臺(2用1備),設計處理水量為:328m3/h,設計壓力:0.36MPa,尺寸:φ2800mm×2600mm(立式),樹脂類型:強酸型,數值型號:AMBERLJET1500H,樹脂體積:9.18m3,罐體材質:碳鋼+襯塑。

4 裝置的實際運行情況

4.1各主要工藝單元實際處理效果:該處理裝置自2016年3月調試并投入運行以來,一直運行比較穩定,各主要處理工藝單元運行指標均達到設計要求,表4為實際運行的部分數據。

高效反滲透技術在煤化工廢水零排放中的應用

4.2裝置運行情況:經過一段時間的運行考驗,該裝置整個系統運行比較平穩,通過對調試和運行情況以及從性能測試數據的分析,總結如下。(1)高效反滲透回收率和脫鹽率效果較好。裝置的水回收率達到了90%以上,脫鹽率高于97%,完全達到了設計要求。(2)反滲透膜系統運行穩定。該項目采用了美國陶氏公司生產的寬流道抗污染型反滲透膜元件,反滲透進水pH控制在10.5~11之間,反滲透裝置的段間壓差、產水水量、水質指標等非常穩定。(3)水中的鈣、鎂、鐵等二價、三價金屬離子的結垢問題在預處理得到了控制。在石灰、純堿軟化和離子交換去除了水中殘留的硬度及堿度,實際運行過程中,控制鈉離子交換器的實效終點為50mg/L,弱酸離子交換器的實效終點為1mg/L。(4)二氧化硅的控制。高效澄清池去除了一部分進水中的二氧化硅,反滲透入口投加少量的控制硅污染的阻垢劑,該阻垢劑同時還具有控制鈣鎂垢的作用。(5)懸浮物、有機物、和微生物的控制。雖然進水含有一定量的COD,但預處理對COD有少量的去除,反滲透在高pH條件下運行,有機物的污染得到了控制。反滲透的段間壓差也基本維持穩定,沒有出現懸浮物、有機物污堵。

4.3運行成本分析:該項目高效膜濃縮裝置自2016年年初運行以來,到目前已經運行近一年的時間,總計處理工業廢水近150萬t,回收優質再生水近130萬t,優質再生水替代生產水作為循環水系統的補水,生產水的處理成本約5元/t,優質再生水的處理成本也在5元/t左右,處理費用基本可以抵消。另外,優質再生水的水質明顯優于生產水,用優質再生水替代生產水作為循環水系統的補水,補充到循環水系統后能進一步增加循環水的濃縮倍數,減少排污,進一步節約了生產成本。

5 結論

(1)高效反滲透技術以完善的預處理措施和高回收率的優勢在很多工業污水項目上發揮出了優勢,并且具備膜結垢污堵頻次低,出水水質穩定等優點,同時在投資、運行管理等方面也表現出明顯的優勢,是目前高含鹽廢水的有效處理方法之一。

(2)高效反滲透技術能夠很好的解決濃鹽水減量化的問題,在含鹽污水膜法處理和熱法處理之間搭建一座平臺,鋪設了一條捷徑,具有可觀的經濟效益、社會效益。

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