劉記華，鄒文敏，李建雄，趙 軍，楊培發(fā)

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。人多水少、水資源時(shí)空分布不均勻是我國(guó)的基本國(guó)情，我國(guó)人均水資源量只有2 100m3，僅為世界人均水平的28%，全國(guó)年平均缺水量超過(guò)500億m3。水資源短缺、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)惡化等問(wèn)題是工業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。

工信部《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》明確提出了“十三五”時(shí)期工業(yè)節(jié)水三大重點(diǎn)方向：一是強(qiáng)化高耗水行業(yè)節(jié)水管理和技術(shù)改造，二是推進(jìn)水資源循環(huán)利用和廢水處理回用，三是加快中水、再生水、海水等非常規(guī)水資源的開(kāi)發(fā)利用。

隨著生產(chǎn)工藝和裝備制造能力的不斷進(jìn)步，為提高生產(chǎn)裝置的技術(shù)水平和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)，磷化工行業(yè)生產(chǎn)裝置規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，磷化工基地(園區(qū))總用水量和廢水排放量持續(xù)上升。未來(lái)幾年，隨著國(guó)家的環(huán)保形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，相應(yīng)的監(jiān)管也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。磷化工行業(yè)存在的環(huán)保、安全等問(wèn)題，成為了決定企業(yè)生死存亡的關(guān)鍵所在，如何提升行業(yè)整體技術(shù)水平、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)，成為磷化工行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的方向之一。因此，探討如何實(shí)現(xiàn)大型磷化工基地水資源梯級(jí)利用和廢水零排放顯得尤為重要。

根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向，大型磷化工企業(yè)轉(zhuǎn)向采用半水-二水濕法磷酸技術(shù)，輔以濕法磷酸凈化為核心的磷酸梯級(jí)利用，生產(chǎn)精細(xì)磷酸鹽、高端水溶肥等高附加值和多元化的產(chǎn)品[1]，典型磷化工基地生產(chǎn)裝置組成見(jiàn)表1。

表1 典型磷化工基地(園區(qū))生產(chǎn)裝置組成

本文以上述生產(chǎn)裝置以及配套的公用工程作為典型磷化工基地組成，對(duì)大型磷化工基地水資源梯級(jí)資源化利用進(jìn)行分析。

1 典型大型磷化工基地水資源利用現(xiàn)狀

1.1 典型磷化工基地各裝置水資源利用現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國(guó)磷化工企業(yè)在水資源利用上普遍存在著兩個(gè)問(wèn)題：一方面，磷化工新鮮水使用不合理、含磷廢水外排嚴(yán)重，造成水耗、磷耗高的問(wèn)題，增加企業(yè)生產(chǎn)成本；另一方面，磷化工企業(yè)在生產(chǎn)中會(huì)排出大量含磷、硫、氯、砷、堿等有害物質(zhì)的廢水，這些有害物質(zhì)一旦進(jìn)入人體，對(duì)肝臟等人體器官危害極大。根據(jù)相關(guān)資料顯示，我國(guó)磷化工企業(yè)每年所排放廢水達(dá)到數(shù)千萬(wàn)噸，直接危害人們的生存環(huán)境與身體健康[2]。

隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的不斷深入和國(guó)家節(jié)水和環(huán)保要求的提高，目前，通過(guò)裝置內(nèi)循環(huán)利用，部分生產(chǎn)裝置在正常生產(chǎn)時(shí)無(wú)廢水排放，具體措施主要有：①磷酸裝置和濕法凈化磷酸裝置。在磷酸裝置和濕法凈化磷酸裝置正常生產(chǎn)時(shí)，裝置導(dǎo)淋液、設(shè)備和管道清洗排放液被收集到地下槽內(nèi)，生產(chǎn)時(shí)逐步返回反應(yīng)槽，在正常生產(chǎn)時(shí)磷酸裝置和濕法凈化磷酸裝置無(wú)廢水排放；②緩控復(fù)合肥裝置。緩控復(fù)合肥裝置在正常生產(chǎn)時(shí)，洗滌塔的洗滌液需根據(jù)需要補(bǔ)入一定量的磷酸和水。為保證工藝系統(tǒng)的水平衡以及洗滌液具有合適的流動(dòng)性，需向尾氣洗滌塔內(nèi)加入一定量的工藝水。尾氣洗滌塔中多余的洗滌液從后向前依次補(bǔ)充至洗滌器槽等設(shè)備，最終用泵送入管式反應(yīng)器中。各洗滌液成分及N/P比將對(duì)洗滌效果和反應(yīng)產(chǎn)生影響，從而保證了在正常操作下，緩控復(fù)合肥裝置無(wú)生產(chǎn)廢液排出系統(tǒng)。發(fā)生事故時(shí)系統(tǒng)洗滌液排至事故水池，并返回系統(tǒng)使用，不外排；③全水溶肥裝置。全水溶肥裝置(冷卻結(jié)晶法)正常生產(chǎn)時(shí)，新鮮水主要用來(lái)間斷沖洗，采用裝置內(nèi)的蒸汽冷凝液代替，不消耗新鮮水。全水溶肥裝置(冷卻結(jié)晶法)聯(lián)產(chǎn)全水溶肥裝置(噴霧法)，全水溶肥裝置(冷卻結(jié)晶法)結(jié)晶母液送往全水溶肥裝置(噴霧法)，用來(lái)制造水溶肥。

因此，當(dāng)前典型磷化工基地所排廢水的主要來(lái)源為：氟硅酸鈉裝置排出的生產(chǎn)廢水、磷酸裝置隨磷石膏漿排往廠外磷石膏渣場(chǎng)的含磷廢水、各裝置事故狀態(tài)下排出的事故污水。

典型磷化工基地配套的公用工程裝置主要有熱電站、原水凈化站、清潔循環(huán)水站、酸性循環(huán)水站、除鹽水站、污水處理站等，水資源利用情況如下：①原水凈化站生產(chǎn)的新鮮水，除用于生產(chǎn)裝置的密封冷卻水等外，主要用于除鹽水站原水、清潔循環(huán)水站補(bǔ)充水、酸性循環(huán)水的部分補(bǔ)充水等；②熱電站和硫酸裝置的汽包排水用作清潔循環(huán)水的補(bǔ)充水；③清潔循環(huán)水的排污水全部用作酸性循環(huán)水的補(bǔ)充水；④酸性循環(huán)水的排污水進(jìn)入磷酸裝置用作磷石膏的再漿水；⑤污水處理站對(duì)全廠常規(guī)污水(生活污水、除鹽水站中和廢水、氟硅酸鈉生產(chǎn)廢水、事故污水等)進(jìn)行處理并達(dá)標(biāo)排放。

1.2 磷石膏渣場(chǎng)回水利用現(xiàn)狀

目前，大部分磷化工企業(yè)渣場(chǎng)回水并沒(méi)有很好的利用方法，僅回再漿槽重新制漿并輸送到渣場(chǎng)，在循環(huán)送回過(guò)程中，只通過(guò)蒸發(fā)消耗少量水，而在雨水豐富的地區(qū)，每年有大量雨水滯留在渣庫(kù)及回水池中。湖北省約有一半地區(qū)多年平均降雨量達(dá)1 000mm以上，扣除蒸發(fā)及其他損耗，每年仍有約600mm的降雨保留在渣場(chǎng)及回水池。由于回水消耗量低，自然降雨量大，雨水豐沛區(qū)域的磷石膏渣場(chǎng)，每年積存大量雨水進(jìn)入渣庫(kù)后形成的污水，隨著磷石膏庫(kù)堆存高度的增長(zhǎng)，庫(kù)內(nèi)調(diào)洪庫(kù)容越來(lái)越小，經(jīng)年累月，庫(kù)內(nèi)的存水量可能達(dá)到100萬(wàn)m3以上，這不僅使磷石膏庫(kù)的安全環(huán)保堆存與閉庫(kù)面臨大難題，也給整個(gè)磷化工基地的水平衡帶來(lái)極大壓力。

1.3 大型磷化工基地用水排水量的設(shè)計(jì)使用情況

現(xiàn)階段，大型磷化工基地用水排水水量的設(shè)計(jì)使用情況見(jiàn)表2。

表2 大型磷化工基地用水排水水量表/(m3·h-1)

注：①水量為磷酸裝置磷石膏再漿所用的渣場(chǎng)回水349m3/h及酸性循環(huán)水排污水的水量58m3/h，此水量也是隨磷石膏漿排往渣場(chǎng)的水量；②水量為蒸汽冷凝液回收水量；③水量為污水處理站處理達(dá)標(biāo)排放水量。

現(xiàn)階段典型大型磷化工基地的水平衡見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)階段典型大型磷化工基地的水平衡

從用水排水水量表和水平衡圖中可以看出，現(xiàn)階段典型磷化工基地在生產(chǎn)過(guò)程中所需新水量1 141m3/h，循環(huán)用水量24 200+7 850=32 050m3/h，回用水量691m3/h，則重復(fù)利用水量為32 741m3/h，總用水量33 882m3/h。由此計(jì)算可得，項(xiàng)目生產(chǎn)用水的重復(fù)利用率為96.6%。

1.4 典型大型磷化工基地節(jié)水措施

目前，磷化工基地和一般化工基地一致，設(shè)計(jì)采取的節(jié)水措施如下：①在各用水點(diǎn)及用水干管上設(shè)置計(jì)量和調(diào)節(jié)、控制裝置，對(duì)各用水裝置實(shí)行定額管理，消除跑、冒、滴、漏，并將廠區(qū)內(nèi)計(jì)量數(shù)據(jù)傳送到控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理和分析，得出用水、排水?dāng)?shù)據(jù)，有針對(duì)性地進(jìn)行水量控制；②在工廠運(yùn)行時(shí)，總用水量、總排水量和各車間或各系統(tǒng)的用水量應(yīng)進(jìn)行連續(xù)和階段性統(tǒng)計(jì)，以供全廠對(duì)用、排水進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，如循環(huán)水濃縮倍率，要求穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，嚴(yán)格控制循環(huán)水補(bǔ)充水量。水務(wù)管理工作還應(yīng)大力宣揚(yáng)節(jié)水的意義，加強(qiáng)全體員工節(jié)水的意識(shí)，采用有效限量用水的手段，切實(shí)做到水務(wù)管理的各項(xiàng)要求；③循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用高效收水器減少循環(huán)水漂滴損失，控制循環(huán)水收水器漂滴損失為0.01%，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求(循環(huán)水的漂滴損失小于0.1%)相比，大大減少了循環(huán)水漂滴損失率。同時(shí)，優(yōu)化循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定處理方案，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，減少補(bǔ)充水量；④對(duì)需要水沖洗的過(guò)濾器及設(shè)備盡量采用氣水反沖洗，以便減少新鮮水的用量；⑤對(duì)用水分質(zhì)管理，根據(jù)工藝對(duì)用水水質(zhì)的要求，采取分質(zhì)供水；對(duì)生產(chǎn)裝置排出的廢水盡可能回用作生產(chǎn)用水，減少一次水用量；⑥對(duì)各裝置主要工業(yè)水、冷卻盡可能采用循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)水的重復(fù)利用，節(jié)約水資源。

2 典型大型磷化工基地水資源存在的問(wèn)題及利用難點(diǎn)分析

2.1 典型大型磷化工基地水資源存在的問(wèn)題

目前，大型磷化工基地節(jié)水利用存在的主要問(wèn)題如下：①現(xiàn)有企業(yè)的清污分流做得不夠，使?jié)崈艄I(yè)廢水和其他污水一起排放，造成回收利用困難。如有些企業(yè)將除鹽水站的中和廢水和磷酸廢水一起排到渣場(chǎng)，一方面增加了磷石膏的雜質(zhì)，另一方面也增加了渣場(chǎng)回水處理回用的難度以及渣庫(kù)的安全風(fēng)險(xiǎn)；②建設(shè)回用水裝置需要相應(yīng)的資金和運(yùn)行費(fèi)用。在水資源相對(duì)富裕的地區(qū)，回用水的成本比企業(yè)直接取水凈化的費(fèi)用高，企業(yè)對(duì)污水處理回用的動(dòng)力不足；③各裝置的給水沒(méi)有得到很好的分質(zhì)使用，如沖洗對(duì)水質(zhì)要求不高的選礦尾礦、制備浮選劑等采用新鮮水而非回用水；④水務(wù)管理制度得不到嚴(yán)格執(zhí)行或者沒(méi)有制定相關(guān)制度，有些裝置的管理操作人員隨意開(kāi)口接水和排水，使整體水平衡出現(xiàn)偏差，也在一定程度上造成浪費(fèi)；⑤沒(méi)有根據(jù)工況對(duì)用水和排水的情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，如冬季循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在保證給水溫度的情況下，可以減少風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量，從而減少蒸發(fā)損失水量；⑥在企業(yè)發(fā)展過(guò)程中需要進(jìn)行技術(shù)改造，沒(méi)有對(duì)用水和排水情況進(jìn)行詳細(xì)核算和測(cè)試，從而有針對(duì)性地制定新的節(jié)水措施，也有可能造成用水的不合理；⑦需要企業(yè)大力宣揚(yáng)節(jié)水的意義和加強(qiáng)全體員工的節(jié)水意識(shí)，采用有效限量用水的手段，切實(shí)做到水務(wù)管理的各項(xiàng)要求。如果沒(méi)有相應(yīng)的獎(jiǎng)懲措施，節(jié)水措施就會(huì)形同虛設(shè)，達(dá)不到目的。

2.2 典型大型磷化工基地水資源利用難點(diǎn)

2.2.1管理和投資

磷化工基地水資源利用的難點(diǎn)主要是在加強(qiáng)管理的同時(shí)需投入資金，建設(shè)相應(yīng)的裝置和購(gòu)置設(shè)備。相應(yīng)解決措施如下：①典型大型磷化工基地裝置較多，用水點(diǎn)和排水點(diǎn)分散，因此，需要投入資金購(gòu)置流量計(jì)、DCS等儀表設(shè)備，對(duì)各裝置用水排水的水量和水質(zhì)進(jìn)行分析和測(cè)量，集中進(jìn)行管理，同時(shí)制定用水所用的水質(zhì)和用水指標(biāo)等水務(wù)管理制度，并嚴(yán)格執(zhí)行；②水資源“清污分流、分質(zhì)利用”需要增加管線和處理設(shè)施，如除鹽水的中和排水單獨(dú)收集后再進(jìn)回用水站處理，有些企業(yè)對(duì)此重視不夠。

2.2.2極端雨季渣場(chǎng)水平衡

典型大型磷化工基地基本采用濕法輸送磷石膏，隨磷石膏漿送往渣場(chǎng)的水量比回水量多58m3/h，磷石膏渣場(chǎng)就面臨渣庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)大量污水的問(wèn)題，尤其是在雨水豐沛的地區(qū)，污水經(jīng)年累月存儲(chǔ)后，庫(kù)內(nèi)污水量越來(lái)越大，水平衡無(wú)法保證，也給渣庫(kù)的安全堆存帶來(lái)極大壓力。干旱地區(qū)的渣庫(kù)在遇到設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期的暴雨時(shí)，庫(kù)內(nèi)污水可能在一周內(nèi)猛增幾十萬(wàn)立方米，由于缺乏利用磷石膏庫(kù)污水的有效方法，庫(kù)內(nèi)污水只能通過(guò)庫(kù)區(qū)水面以年為單位的長(zhǎng)期蒸發(fā)，才能回到暴雨前的正常水位及水平衡狀態(tài)。

3 水資源梯級(jí)利用及廢水零排放思路探討

水資源梯級(jí)資源化利用，是在原有節(jié)水的基礎(chǔ)上，增加了如下措施：①酸性循環(huán)水的補(bǔ)充水除采用清潔循環(huán)水的排污水外，余下部分采用渣場(chǎng)回水；②含磷廢水替代礦漿水制磷酸。先把選礦裝置來(lái)的含水35%的磷精礦漿進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的磷精礦含水為15%，再和含磷廢水(渣場(chǎng)回水或酸性循環(huán)水的排污水)混合后送入磷酸反應(yīng)槽進(jìn)行反應(yīng)。由此，過(guò)濾下來(lái)的礦漿水能夠進(jìn)一步處理作為生產(chǎn)水回用，既回收了含磷廢水中的磷，又可將含磷廢水循環(huán)利用；③對(duì)污水處理站出水進(jìn)行深度處理，作為清潔循環(huán)水的補(bǔ)充水回用，達(dá)到廢水零排放；④磷酸裝置磷石膏再漿水最大限度利用渣場(chǎng)回水，使水資源得到充分利用。

通過(guò)增加上述措施，對(duì)裝置排水進(jìn)行清污分流，分質(zhì)回用，實(shí)行生產(chǎn)裝置多個(gè)小循環(huán)梯級(jí)利用、裝置區(qū)廢水零排放。同時(shí)又和渣場(chǎng)回水一起形成大循環(huán)，水資源得到充分利用。

大型磷化工基地水資源梯級(jí)資源化利用的用水、排水水量見(jiàn)表3。

表3 水資源梯級(jí)利用的用水、排水水量/(m3·h-1)

注：①水量為硫酸裝置潔凈排水6m3/h及渣場(chǎng)回水替代礦漿水制磷酸的常規(guī)排水47m3/h；②水量為磷酸裝置磷石膏再漿所用的渣場(chǎng)回水349m3/h加酸性循環(huán)水排污水的水量58m3/h，共計(jì)407m3/h，再加渣場(chǎng)回水替代礦漿水制磷酸的水量47m3/h，其中，407m3/h是隨磷石膏漿排往渣場(chǎng)的水量；③水量為蒸汽冷凝液回收水量；④水量為工藝及輔助裝置潔凈排水8m3/h，加回用水站產(chǎn)水水量143m3/h；⑤水量為清潔循環(huán)水排污水88m3/h及渣場(chǎng)回水89m3/h。

水資源梯級(jí)資源化利用后，基地廢水實(shí)現(xiàn)零排放。典型大型磷化工基地水資源、梯級(jí)資源化利用水平衡見(jiàn)圖2。

從用水、排水水量表和水平衡圖中可以看出，現(xiàn)階段典型磷化工基地在生產(chǎn)過(guò)程中所需新水量為906m3/h，循環(huán)用水量為24 200+7 850=32 050m3/h，回用水量為972m3/h，則重復(fù)利用水量為33 022m3/h，總用水量33 928m3/h。由此計(jì)算項(xiàng)目生產(chǎn)用水的重復(fù)利用率為97.3%，比常規(guī)設(shè)計(jì)提高了0.7%。一次水用量減少了235m3/h，一年節(jié)水188萬(wàn)m3。

圖2 典型大型磷化工基地水資源梯級(jí)資源化利用水平衡

經(jīng)過(guò)水資源梯級(jí)資源化利用后，渣場(chǎng)回水經(jīng)澄清及簡(jiǎn)單處理后可以用作酸性循環(huán)水的補(bǔ)充水，同時(shí)，將礦漿所帶的中性水置換為酸性含磷的渣場(chǎng)回水，使水資源均能重新被利用。這樣，渣場(chǎng)回水以多出磷石膏攜帶水量135m3/h的用量回裝置使用。遇到極端暴雨工況時(shí)，原水凈化站以100m3/h的速度將渣場(chǎng)回水處理后作為一次水進(jìn)入工藝裝置使用，同時(shí)減少相應(yīng)的新鮮水量，可以解決渣場(chǎng)水平衡問(wèn)題及極端暴雨情況下磷石膏庫(kù)的防洪安全問(wèn)題。

以湖北省為例，匯水面積1km2的磷石膏渣場(chǎng)在遇到重現(xiàn)期100年的暴雨時(shí)，將產(chǎn)生約30萬(wàn)m3的污水。通過(guò)酸性循環(huán)水裝置及置換礦漿水平衡，消耗30萬(wàn)m3污水需要的時(shí)間為30×10000÷(235×24)=53(天)?；厮貛?kù)容設(shè)計(jì)為35萬(wàn)m3，平時(shí)通過(guò)渣場(chǎng)回水回用消耗庫(kù)內(nèi)增加的污水，雨季來(lái)臨前保證回水池處于低水位運(yùn)行，并且?guī)靸?nèi)預(yù)留足夠的調(diào)洪庫(kù)容。這樣在遇到設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期暴雨時(shí)，水池庫(kù)容富余量還有35萬(wàn)-30萬(wàn)=5萬(wàn)m3。暴雨來(lái)臨后，原水凈化站以100m3/h的速度處理渣場(chǎng)回水，庫(kù)內(nèi)洪水排入回水池后也重新具備一定的調(diào)洪庫(kù)容，這樣就解決了渣庫(kù)大量存水無(wú)法平衡及極端暴雨工況下磷石膏庫(kù)的防洪安全問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從裝置小循環(huán)、基地與渣場(chǎng)大循環(huán)、如何清污分流、分類資源化利用污水，進(jìn)而減少一次水用量等多個(gè)方面，對(duì)大型磷化工基地水資源梯級(jí)資源化利用進(jìn)行了探討。典型磷化工基地水資源梯級(jí)利用思路有以下幾點(diǎn)：①一次水用作設(shè)備密封冷卻水、除鹽水制備原水及清潔循環(huán)水補(bǔ)水等；②二級(jí)利用為清潔循環(huán)水排水，用于酸性循環(huán)水補(bǔ)充水、工藝裝置潔凈廢水經(jīng)處理后用作清潔循環(huán)水補(bǔ)水等；③三級(jí)利用為酸性循環(huán)水排水，用于磷酸裝置沖洗、酸性含磷廢水置換礦漿中性水等；④四級(jí)利用為渣場(chǎng)回水，用于酸性循環(huán)水補(bǔ)充水以及磷石膏再漿用水等。平時(shí)通過(guò)循環(huán)水裝置及置換礦漿水消耗庫(kù)內(nèi)增加的污水，雨季來(lái)臨前保證回水池處于低水位運(yùn)行，這樣就解決了渣庫(kù)大量存水無(wú)法平衡及極端暴雨工況下磷石膏庫(kù)的防洪安全問(wèn)題。

由此，大型磷化工基地的用水方式實(shí)施裝置小循環(huán)、基地大循環(huán)，水資源得到充分利用，基本實(shí)現(xiàn)廢水零排放。在節(jié)約新鮮水用量的同時(shí)，含磷廢水磷耗也得到充分利用，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，減輕了磷化工企業(yè)在環(huán)保、安全方面的壓力，對(duì)于提升行業(yè)整體技術(shù)水平、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)具有重要意義。