曹迎軍

（大唐克旗煤制天然氣公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

煤化工項(xiàng)目廢水處理近“零排放”是發(fā)展趨勢，也是降低水耗的重要途徑， 而隨著濃縮倍數(shù)的逐步提高， 膜系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行成為重要制約瓶頸問題［1］。 煤化工項(xiàng)目生產(chǎn)廢水中COD、 NH3-N、 酚等污染物含量高， 是典型的難降解廢水， 廢水生化處理后經(jīng)過不斷濃縮分級(jí)回用， 實(shí)現(xiàn)提濃減量， 最終濃水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶， 實(shí)現(xiàn)廢水零排放。

碟片式反滲透（DTRO）膜組件構(gòu)造與傳統(tǒng)卷式反滲透膜元件有著截然不同， DTRO 膜有卓越的抗污堵能力， 對(duì)廢水水質(zhì)有更好的適應(yīng)能力， 可處理TDS 質(zhì)量濃度達(dá)50 000 mg／L 的廢水， 且濃縮比可以達(dá)到80%～90%［2］， 是經(jīng)濟(jì)可行的高鹽廢水提濃技術(shù)。 DTRO 在垃圾滲濾液處理和脫硫廢水零排放處理中應(yīng)用較多［3-5］， 在煤化工高含鹽有機(jī)廢水處理中應(yīng)用較少。 DTRO 可以直接處理高含鹽有機(jī)廢水， 且出水標(biāo)準(zhǔn)高、 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠［6］， 在零排放廢水處理中有較好的應(yīng)用前景。 本研究重點(diǎn)介紹了某煤化工高含鹽有機(jī)廢水采用DTRO 工藝濃縮減量化的技術(shù)論證與中試試驗(yàn)結(jié)果， 以及改造工程中DTRO 工藝的主要處理設(shè)備和設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 工程概況

某煤化工企業(yè)以褐煤為原料， 采用魯奇碎煤加壓氣化工藝生產(chǎn)天然氣， 其生產(chǎn)廢水是典型的難降解廢水， 經(jīng)過前端生化處理、 深度處理、 中水回用處理后， 濃水經(jīng)過膜濃縮系統(tǒng)進(jìn)行濃縮減量化處理， 最終濃水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)行結(jié)晶處理， 各系統(tǒng)產(chǎn)水分質(zhì)回用。 原膜濃縮系統(tǒng)采用超濾-納濾-反滲透-濃水反滲透工藝， 并采用傳統(tǒng)卷式反滲透膜技術(shù)進(jìn)行最終提濃減量， 由于濃水中有機(jī)物、 鹽、揮發(fā)性物質(zhì)等濃度很高， 水質(zhì)成分更加復(fù)雜［7-8］，該技術(shù)在最終膜濃縮階段運(yùn)行困難， 膜性能衰減嚴(yán)重， 回收率、 脫鹽率低， 制水周期短， 污堵嚴(yán)重，導(dǎo)致大量濃水回流， 影響整個(gè)水處理系統(tǒng)的鹽平衡和水平衡。 經(jīng)過技術(shù)論證和中試試驗(yàn)， 對(duì)原濃水反滲透單元進(jìn)行改造， 增加了DTRO 膜濃縮裝置，將最終濃水量減少50%， 含鹽量提高1 倍。

2 高含鹽有機(jī)廢水處理工程改造

2.1 高含鹽有機(jī)廢水水質(zhì)

原系統(tǒng)存在濃水不平衡及濃水回流現(xiàn)象， 導(dǎo)致其濃水反滲透進(jìn)水電導(dǎo)率等指標(biāo)很高， 是典型的高含鹽有機(jī)廢水。 具體水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

2.2 技術(shù)論證

DTRO 膜進(jìn)水鹽質(zhì)量濃度為10 000 ～50 000 mg／L， 回收率可超過80%， 進(jìn)水COD 的質(zhì)量濃度一般為10 000 ～35 000 mg／L， 可直接處理垃圾滲濾液， 操作壓力可以達(dá)到15 MPa， 出水水質(zhì)穩(wěn)定。而卷式反滲透膜進(jìn)水鹽質(zhì)量濃度為5 000 ～10 000 mg／L， 理論回收率為65%～70%， 對(duì)進(jìn)水COD 濃度要求較高， 一般要求低于100 mg／L， 特殊應(yīng)用場合不能提供質(zhì)量保證， 運(yùn)行操作壓力較低［9］。

表1 實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Actual influent water quality

綜上， DTRO 膜對(duì)比傳統(tǒng)卷式反滲透膜優(yōu)勢明顯。 本項(xiàng)目原設(shè)計(jì)使用傳統(tǒng)卷式反滲透膜， 實(shí)際運(yùn)行過程存在很多問題， 不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行， 而且膜元件使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命， 基本在1 a 左右， 運(yùn)行期間性能衰減嚴(yán)重， 污堵很快， 2 ～5 d 就要清洗， 運(yùn)行成本大幅度增加。 從技術(shù)和相關(guān)工程應(yīng)用結(jié)果分析， DTRO 膜可應(yīng)用于煤化工廢水的最終提濃減量。

2.3 中試試驗(yàn)驗(yàn)證

通過中試試驗(yàn)考察DTRO 膜裝置是否適應(yīng)本項(xiàng)目高含鹽有機(jī)廢水的處理， 是否滿足實(shí)際生產(chǎn)需要； 膜裝置實(shí)際運(yùn)行周期、 清洗周期、 清洗時(shí)間等是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求； 在設(shè)計(jì)回收率和處理能力的條件下， 膜裝置產(chǎn)水指標(biāo)、 脫鹽率等是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求； 統(tǒng)計(jì)分析中試試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)， 分析出現(xiàn)異常情況的原因， 得出最佳運(yùn)行條件和控制參數(shù)， 確定改造的最佳工藝流程。

2.3.1 試驗(yàn)工藝

將原膜濃縮系統(tǒng)最終混合濃水作為中試試驗(yàn)裝置進(jìn)水， 并每天定時(shí)取樣分析進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)， 進(jìn)行為期45 d 的中試試驗(yàn)。

DTRO 中試試驗(yàn)設(shè)備包括： 加酸裝置， 阻垢劑添加裝置， 保安過濾器。 裝機(jī)功率為8 kW， 電源電壓為380 V， 設(shè)備尺寸L×W×H ＝2 900 mm×1 500 mm×1 900 mm， 最大運(yùn)行壓力為6.5 MPa， 最大處理量為1 t／h。 搭載3 支膜柱， 第1、 2 支膜柱由高壓泵直接供水， 濃水進(jìn)第3 支膜柱， 膜組件性能參數(shù)與改造后膜組件參數(shù)相同， 設(shè)備配置電導(dǎo)率儀、流量計(jì)、 壓力表等儀表。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1） 中試裝置試驗(yàn)運(yùn)行期間， 進(jìn)水水質(zhì)較惡劣， TDS 最高質(zhì)量濃度為23 000 mg／L， 總酚質(zhì)量濃度為210 mg／L， COD 最高質(zhì)量濃度為3 000 mg／L， DTRO 裝置pH 值調(diào)整為6.5 以后， 可穩(wěn)定運(yùn)行15 d 以上， 此階段前端卷式膜運(yùn)行約2 ～5 d， 說明DTRO 膜具有一定的抗有機(jī)物污染和結(jié)垢離子污染的能力。

（2） 原設(shè)計(jì)DTRO 濾芯精度為10 μm 級(jí)， 因進(jìn)水懸浮物濃度較高， 濾芯污堵較快。 根據(jù)DTRO裝置耐污堵特性， 將濾芯精度調(diào)整為50 μm 級(jí)，濾芯污堵頻率下降， 可運(yùn)行15 d 以上， 且對(duì)膜系統(tǒng)影響較小。

（3） 由于進(jìn)水堿度較高， 在pH 值為6.5 左右時(shí)， DTRO 裝置運(yùn)行較穩(wěn)定， 產(chǎn)水中夾帶大量氣泡， 存在損傷膜系統(tǒng)的隱患。 運(yùn)行一段時(shí)間后， 拆檢2 支膜柱進(jìn)行觀察， 從表觀并未發(fā)現(xiàn)膜片及導(dǎo)流盤有損壞現(xiàn)象， 但不排除長時(shí)間運(yùn)行存在損傷的隱患， 需要在DTRO 裝置前端增加脫碳器降低堿度。

綜上， DTRO 技術(shù)適用于本項(xiàng)目煤化工廢水最終提濃減量處理的要求， 可為多效蒸發(fā)進(jìn)水提濃減量提供有力保證。 裝置運(yùn)行穩(wěn)定， 較前端卷式膜運(yùn)行周期大幅提升， 同時(shí)大幅減少現(xiàn)有運(yùn)行人員工作量。

3 工程改造設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)水量、 水質(zhì)

工程設(shè)計(jì)總處理水量為120 m3／h， 共3 套DTRO裝置， 單套DTRO 裝置設(shè)計(jì)進(jìn)水水量不小于40 m3／h， 回收率為50%。 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表2 所示。

3.2 工藝流程及說明

工藝流程如圖1 所示。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab. 2 Design influent and effluent water quality

圖1 工藝流程Fig. 1 Process flow

再生廢水膜濃縮產(chǎn)生的最終濃鹽水， 水量為80 m3／h； 有機(jī)濃水及濁循環(huán)排污水膜濃縮產(chǎn)生的最終濃鹽水， 水量為40 m3／h。 兩股濃鹽水混合后，首先進(jìn)入濃鹽水收集池， 經(jīng)原水泵加壓后， 進(jìn)入脫碳器裝置， 通過加酸調(diào)節(jié)pH 值降低堿度， 脫除CO2， 出水通過泵提升至管道混合器與阻垢劑、 非氧化性殺菌劑混合后， 進(jìn)入保安過濾器， 出水經(jīng)高壓泵進(jìn)入DTRO 膜處理單元， DTRO 設(shè)計(jì)處理能力為120 m3／h， 回收率為50%， 脫鹽率大于95%，膜處理產(chǎn)水進(jìn)入蒸發(fā)循環(huán)回水池回用， 濃水進(jìn)入蒸發(fā)調(diào)節(jié)池進(jìn)一步處理。

3.3 主要處理設(shè)備和設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 脫碳器裝置。 脫碳器水箱尺寸為3 212 mm×4 000 mm， 容積為30 m3， 碳鋼襯膠； 除碳器直徑為1 800 mm， 碳鋼襯膠； 填料層高度為2 500 mm，采用空心纖維球填料； 除碳風(fēng)機(jī)， 風(fēng)量為2 240 ～4 480 m3／h， 揚(yáng)程為1.1 kPa； 原水泵2 臺(tái)， 臥式離心泵， 流量為120 m3／h， 揚(yáng)程為0.35 MPa； 進(jìn)水pH值控制在6.0 ～7.0， 堿度去除率控制在75%以上。

（2） DTRO 裝置。 DTRO 裝置運(yùn)行為全自動(dòng)運(yùn)行方式， 包括沖洗、 加藥、 化學(xué)清洗等。 由DTRO系統(tǒng)、 加藥裝置系統(tǒng)、 沖洗系統(tǒng)、 化學(xué)清洗系統(tǒng)、閥門、 各類儀表和控制檢測元器件、 控制系統(tǒng)及必要的設(shè)備附件組成。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)3 套DTRO 膜裝置，并聯(lián)運(yùn)行， 單套DTRO 膜裝置設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

3.4 處理效果及運(yùn)行成本

該項(xiàng)目于2018 年12 月開工建設(shè)， 2019 年4 月投運(yùn)。 經(jīng)過1 a 多的運(yùn)行， 對(duì)系統(tǒng)設(shè)備在運(yùn)行、 化學(xué)清洗、 控制系統(tǒng)、 DTRO 系統(tǒng)等各方面進(jìn)行了綜合檢測。 DTRO 單套處理量控制在38 ～40 m3／h， 回收率控制在48%～50%， 進(jìn)水電導(dǎo)率不超過20 000 μS／cm， 其產(chǎn)水電導(dǎo)不超過1 000 μS／cm， 濃水堿度不超過1 000 mg／L， 運(yùn)行效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。DTRO 膜裝置清洗周期在15 d 以上， 解決了原系統(tǒng)存在的濃水不平衡問題， 同時(shí)整個(gè)廢水系統(tǒng)鹽不平衡和水不平衡問題得到有效解決， 達(dá)到蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)水提濃減量要求。 本項(xiàng)目投資2 900 萬元， 噸水產(chǎn)水運(yùn)行成本為1.246 元。

表3 DTRO 膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 3 DTRO membrane system design parameters

4 結(jié)語

（1） 工程改造后， 最終濃水量從120 m3／h 降至60 m3／h， 含鹽量從原設(shè)計(jì)的18 000 mg／L 上升到36 000 mg／L 左右。 DTRO 產(chǎn)水COD 去除率約為90%， 氨氮去除率約為80%， 脫鹽率可達(dá)到95%以上， 膜系統(tǒng)清洗周期在15 d 以上。

（2） 本工程改造解決了原系統(tǒng)存在處理水量低， 濃水不平衡回流， 進(jìn)水電導(dǎo)率高， 膜系統(tǒng)運(yùn)行周期短， 清洗頻繁等一系列問題， 整個(gè)水系統(tǒng)的鹽平衡和水平衡問題得到解決， 一些影響廢水處理效果的瓶頸問題迎刃而解。 原廢水生化處理進(jìn)水電導(dǎo)率從4 500 μS／cm 降至1 700 μS／cm 左右， 膜濃縮進(jìn)水電導(dǎo)率從原來的12 000 μS／cm 降至7 500 μS／cm 左右， 整個(gè)廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行工況轉(zhuǎn)好， 各級(jí)回用水電導(dǎo)率指標(biāo)下降明顯， 膜系統(tǒng)運(yùn)行周期大幅延長， 整個(gè)水系統(tǒng)處于良性循環(huán)。

（3） 工程改造后， 最終濃水含鹽量翻倍和水量減半， 以及堿度等指標(biāo)降低， 不僅有利于后續(xù)多效蒸發(fā)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行， 更加有利于結(jié)晶系統(tǒng)的穩(wěn)定出鹽。 新增DTRO 裝置具有工藝穩(wěn)定性強(qiáng)、維護(hù)簡單、 能耗低、 出水水質(zhì)好、 運(yùn)行靈活、 便于維護(hù)、 自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。