葉飛,賀飛,肖杰,朱德漢,李成,楊繼廣

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

煤化工產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源的消耗比較嚴(yán)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(xiàng)目實(shí)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(duì)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(xiàng)目均要求按水的零排放進(jìn)行設(shè)計(jì)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(xiàng)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(yùn)行狀況與前污水處理裝置的運(yùn)行狀況而波動(dòng),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(yán)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(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)二段反滲透膜元件回收率大大低于設(shè)計(jì)值,產(chǎn)水電導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)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(xiàng)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(xiàng)目2015年投用,中水回用膜系統(tǒng)未設(shè)計(jì)段間增壓泵,實(shí)際運(yùn)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(jì)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行情況,尋求不同運(yùn)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(xiàng)目零排放工藝介紹與中試裝置工藝介紹

1.1 中試項(xiàng)目設(shè)計(jì)水質(zhì)

設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如表1。

表1 中試設(shè)計(jì)進(jìn)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(jì)

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(jì)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(bǔ)水水源,反滲透濃水進(jìn)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(dòng)態(tài)備用。目前單套反滲透實(shí)際進(jìn)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(jí)兩段設(shè)計(jì),一二段設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(hào)。通過壓力容器進(jìn)出水管路閥門配置,可實(shí)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(shí)現(xiàn)無段間增壓與段間增壓兩種運(yùn)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(yùn)行方案與數(shù)據(jù)分析

2.1 中試裝置運(yùn)行方案與時(shí)間安排

為了保證達(dá)到中水回用反滲透膜性能提升及膜組比例設(shè)置研究項(xiàng)目的目的,通過中試設(shè)備的運(yùn)行取得足夠全面的供研究的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),設(shè)備運(yùn)行分三個(gè)階段實(shí)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(duì)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(yùn)行方案與時(shí)間安排

2.2 中試裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)與分析

從圖3～5運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出:

圖3 中試裝置總脫鹽率運(yùn)行曲線

圖4 中試裝置二段脫鹽率運(yùn)行曲線

圖5 驗(yàn)證階段中試裝置與系統(tǒng)對(duì)照裝置脫鹽率運(yùn)行曲線

(1)在無段間增壓泵的運(yùn)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(yùn)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(cè)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(duì)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(yàn)證時(shí)間階段曲線可以看出,設(shè)計(jì)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(yùn)行裝置二段脫鹽率低,且二段反滲透膜產(chǎn)水量低的實(shí)際情況。

(5)通過膜組4∶2與5∶2的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)看,增加一段膜組比例,雖然降低了進(jìn)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(gè)國(guó)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(jìn)口品牌膜元件。試驗(yàn)結(jié)果表明,國(guó)產(chǎn)品牌反滲透總體上各項(xiàng)性能參數(shù)與進(jìn)口品牌差距不大,其中某國(guó)產(chǎn)品牌與進(jìn)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(chǎng)占有率已經(jīng)連續(xù)幾年穩(wěn)居國(guó)內(nèi)前三,說明未來國(guó)產(chǎn)品牌替代進(jìn)口品牌將是發(fā)展趨勢(shì)。

3 經(jīng)濟(jì)分析

中試裝置的運(yùn)行方式、加藥方案基本保持與項(xiàng)目大系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備一致,從中試實(shí)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(zhǎng)50%以上。按反滲透裝置總體脫鹽率低于94%進(jìn)行膜更換為標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)了解,項(xiàng)目業(yè)主反滲透膜實(shí)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(zhǎng)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(zhǔn)確科學(xué)數(shù)據(jù)作為參考,本項(xiàng)目暫時(shí)按提高膜使用壽命20%計(jì)算。

二者合計(jì)可提高膜使用壽命100%計(jì)算,本項(xiàng)目總計(jì)使用膜元件1 872支(按35∶17計(jì)),采購(gòu)價(jià)格3 500元/支,則采用增壓泵設(shè)置,僅換膜費(fèi)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(fèi)用也是非常大的,不再詳細(xì)核算。

4 結(jié)論

中試設(shè)備經(jīng)過為期5個(gè)月的運(yùn)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(zhǎng)30%以上。

市場(chǎng)上主流膜生產(chǎn)商均有設(shè)計(jì)軟件向設(shè)計(jì)單位、工程公司提供膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考,但對(duì)于設(shè)計(jì)段間泵的條件并未給出具體參考指標(biāo)。對(duì)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(shí)情況,運(yùn)行中反滲透裝置內(nèi)膜元件實(shí)際運(yùn)行工況已經(jīng)與設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)于含鹽量在1 500～2 500 mg/L中水水質(zhì),考慮設(shè)計(jì)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(xiàng)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(xiàng)目上大規(guī)模的應(yīng)用上也是近幾年才開始的,在實(shí)際運(yùn)行過程中各項(xiàng)目都或多或少碰到各種問題。希望本文中對(duì)于類似項(xiàng)目反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議能夠?yàn)橐院竽ば袠I(yè)技術(shù)人員與工程設(shè)計(jì)人員提供有益的幫助。