葉 飛，李 成，朱德漢，肖 杰，王 濤，劉 林

(1. 國(guó)能新疆化工有限公司， 烏魯木齊 831404； 2. 南京順?biāo)_(dá)環(huán)?？萍加邢薰?， 南京 210000)

煤化工技術(shù)是指以產(chǎn)出新的能源和產(chǎn)品為主的煤化學(xué)加工轉(zhuǎn)化技術(shù)，以潔凈煤技術(shù)為基礎(chǔ)，涉及煤的焦化、氣化、液化等方面。某煤化工項(xiàng)目以煤為原料，每年生產(chǎn)180萬(wàn)t甲醇。在生產(chǎn)和運(yùn)行過(guò)程中自主研發(fā)了一套神華MTO處理技術(shù)，可以將甲醇轉(zhuǎn)化為烯烴，進(jìn)一步生產(chǎn)聚乙烯、聚丙烯等其他化工產(chǎn)品。該項(xiàng)目主要包括煤氣化、凈化、硫回收、甲醇合成、甲醇制烯烴、烯烴分離、C4烯烴轉(zhuǎn)化、低密度聚乙烯/聚丙烯等工序。為了保障系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，配套了自備電站(包含化水站)、凈水場(chǎng)、循環(huán)水場(chǎng)、污水處理、儲(chǔ)罐區(qū)等公用工程、輔助設(shè)施及廠外輔助處理工程[1]。

本次項(xiàng)目的中試地址位于新疆烏魯木齊，由于水資源緊缺，當(dāng)?shù)孛夯て髽I(yè)對(duì)水的利用尤為重視。本煤化工廠區(qū)建設(shè)有大型脫鹽水系統(tǒng)和中水回用處理系統(tǒng)、廢水零排放系統(tǒng)。水處理系統(tǒng)的核心處理工藝采用膜處理技術(shù)，通過(guò)滲透和反滲透的原理將水中的離子分離出來(lái)，從而得到高純度脫鹽水，回用于生產(chǎn)補(bǔ)給。

1 膜處理技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用較多的膜技術(shù)包括過(guò)濾膜(超濾、膜生物反應(yīng)器、管式微濾)、滲透膜(納濾、反滲透、正滲透、碟管式反滲透、管網(wǎng)式反滲透膜)、離子膜(均相膜、異相膜、雙極膜)[2]，主要運(yùn)用于煤化工、電廠脫硫廢水、礦場(chǎng)廢水、電力行業(yè)給水、市政給水等場(chǎng)景。本次中試項(xiàng)目為響應(yīng)國(guó)家節(jié)水號(hào)召，運(yùn)用了某公司自主研發(fā)的智慧反滲透(SSDRO)系統(tǒng)。該技術(shù)將常規(guī)膜處理系統(tǒng)75%的回收率提高到88%，減少了系統(tǒng)的排水量，降低了濃水的二次處理費(fèi)用。

1.1 常規(guī)反滲透膜技術(shù)

1960年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的洛布與素里拉簡(jiǎn)發(fā)明了一項(xiàng)高新膜分離技術(shù)“反滲透膜”，利用一定的壓力使溶液中的溶劑經(jīng)過(guò)反滲透膜(或稱半滲透膜)分離出來(lái)。因?yàn)榕c自然滲透的方向相反，故也稱為逆滲透。根據(jù)各種物料的不同滲透壓，達(dá)到分離、提取、純化和濃縮的目的。反滲透膜的孔徑≤10 ?，可去除水中分子量很小的鹽分、膠體、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒、熱源等。該技術(shù)已廣泛用于苦咸水淡化、電子和醫(yī)藥用純水、飲用水、太空水、海水淡化、中水廢水回用等行業(yè)。單支膜元件對(duì)水中溶解性離子的脫除率達(dá)到99%以上，而脫除膠體物質(zhì)、有機(jī)物的能力更是超過(guò)其脫鹽能力。圖1為反滲透原理圖[3]。

圖1 反滲透原理圖

反滲透膜通過(guò)半透膜和兩側(cè)的壓力差來(lái)推動(dòng)運(yùn)行。用反滲透膜將濃鹽水和淡水隔開(kāi)，淡水會(huì)通過(guò)反滲透膜向濃鹽水滲透。如果在濃鹽水中持續(xù)施加壓力，當(dāng)大于淡水滲透壓力時(shí)，濃鹽水中的水分子會(huì)通過(guò)反滲透膜進(jìn)入淡水，不能通過(guò)的鹽分則留在濃水側(cè)。反滲透運(yùn)行過(guò)程見(jiàn)圖2。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反滲透運(yùn)行后，濃水端的鹽分不斷提高，不排放會(huì)結(jié)垢，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，所以在反滲透系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需設(shè)置濃水排放。常規(guī)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行方式見(jiàn)圖3。

由圖3可知，系統(tǒng)進(jìn)水經(jīng)過(guò)高壓泵增壓后進(jìn)入第一段膜殼，產(chǎn)出系統(tǒng)的產(chǎn)水。模塊C為一段產(chǎn)出的膜殼濃水，匯總后進(jìn)入二段膜殼。最終濃水經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥后出水。二段產(chǎn)水則與一段產(chǎn)水匯合后作為系統(tǒng)的總產(chǎn)水進(jìn)入產(chǎn)水箱。在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)中濃水含鹽量逐步提升，導(dǎo)致結(jié)垢嚴(yán)重。

假設(shè)系統(tǒng)總進(jìn)水體積流量為100 m3/h，為了保障足夠的水量把濃水的鹽分沖走，通過(guò)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，將濃水體積流量控制在25 m3/h，產(chǎn)水體積流量控制在75 m3/h。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的不同，如常規(guī)地表水、地下水，設(shè)置系統(tǒng)回收率為75%，剩下的水作為濃水外排，從而保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 SSDRO技術(shù)

常規(guī)反滲透工藝是在損耗大量產(chǎn)水的前提下運(yùn)行的[4]。SSDRO技術(shù)最初針對(duì)高含鹽脫鹽處理開(kāi)發(fā)研究，目的是提高脫鹽系統(tǒng)的回收率，并減少?gòu)U水的排放量。SSDRO裝置，在提高反滲透系統(tǒng)回收率的同時(shí)，不僅能減少濃水排放量，而且還能降低結(jié)垢傾向，減少系統(tǒng)阻垢劑等藥耗量，從而節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

反滲透的核心是通過(guò)壓力驅(qū)動(dòng)水分子穿過(guò)反滲透膜獲得可利用的水。滲透壓提高可以獲得更多的水分子，提高回收率，但滲透壓的增大膜元件結(jié)垢速率也會(huì)隨之增加。而水的結(jié)垢是在一定時(shí)間內(nèi)逐步積累產(chǎn)生的，SSDRO技術(shù)就利用了結(jié)垢時(shí)差這一點(diǎn)。根據(jù)圖3所示，當(dāng)反滲透膜因濃水鹽分過(guò)高即將結(jié)垢時(shí)，改變膜殼的進(jìn)水方向，用低鹽分的干凈水將濃鹽水置換掉，從而防止結(jié)垢。

SSDRO技術(shù)通過(guò)切換水流進(jìn)水方向，使膜殼內(nèi)部結(jié)垢趨勢(shì)較重的濃水側(cè)變?yōu)檫M(jìn)水側(cè)，降低濃差極化程度，使結(jié)垢趨勢(shì)得到緩解。在應(yīng)用濃鹽水等處理難度較高的廢水時(shí)，SSDRO技術(shù)可以達(dá)到更高的系統(tǒng)回收率。SSDRO技術(shù)的運(yùn)行方式見(jiàn)圖4。

圖4 SSDRO技術(shù)的運(yùn)行方式

SSDRO技術(shù)將進(jìn)水、產(chǎn)水、濃水管道和反滲透膜元件的流水方向由固定不變轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔矍袚Q。通過(guò)閥門的開(kāi)關(guān)連鎖配合，一段和二段模塊的進(jìn)水方向和位置隨運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換同步轉(zhuǎn)換。

2 中試運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

為了體現(xiàn)SSDRO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，新疆某煤化工公司對(duì)污水膜系統(tǒng)開(kāi)展中試實(shí)驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基本條件模擬同類型運(yùn)行工況進(jìn)行中試，進(jìn)水取自超濾產(chǎn)水池，反滲透膜元件與現(xiàn)場(chǎng)保持一致。設(shè)計(jì)生產(chǎn)集成一套撬裝設(shè)備，設(shè)計(jì)回收率為88%，穩(wěn)定運(yùn)行周期為4個(gè)月。

支持單位為南京順?biāo)_(dá)環(huán)保科技有限公司，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置一套產(chǎn)水25 m3/h的SSDRO系統(tǒng)。進(jìn)水選用超濾產(chǎn)水池的水，詳細(xì)水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)

系統(tǒng)進(jìn)水質(zhì)量濃度為2 960～3 623 mg/L，產(chǎn)水質(zhì)量濃度穩(wěn)定在37 mg/L，濃水質(zhì)量濃度為15 369～16 570 mg/L,詳細(xì)趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)水、產(chǎn)水、濃水電導(dǎo)趨勢(shì)

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行4個(gè)月后，以回收率65%以上起步調(diào)試，待穩(wěn)定運(yùn)行3～5 d后逐步提升回收率。最終將系統(tǒng)回收率穩(wěn)定在88%，脫鹽率維持著99%以上。詳細(xì)趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 脫鹽率趨勢(shì)

對(duì)于經(jīng)濟(jì)性，對(duì)比常規(guī)反滲透和SSDRO系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)行分析。常規(guī)反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水體積流量為28 m3/h，產(chǎn)水體積流量為21 m3/h(即75%回收率)，各項(xiàng)目用量見(jiàn)表2，運(yùn)行成本分析見(jiàn)表3。

表2 常規(guī)反滲透系統(tǒng)各項(xiàng)目用量

表3 常規(guī)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行成本分析

SSDRO系統(tǒng)的進(jìn)水體積流量為28 m3/h，產(chǎn)水體積流量為25 m3/h，各項(xiàng)目用量見(jiàn)表4，運(yùn)行成本分析見(jiàn)表5。

表4 SSDRO系統(tǒng)各項(xiàng)目用量

表5 SSDRO工藝運(yùn)行成本分析

根據(jù)兩種運(yùn)行模式成本分析，可知常規(guī)反滲透系統(tǒng)合計(jì)費(fèi)用為95.37元，噸水處置費(fèi)用為4.54元；SSDRO系統(tǒng)合計(jì)費(fèi)用為54.94元，噸水處置費(fèi)用為2.20元。

SSDRO整體運(yùn)行費(fèi)用比常規(guī)反滲透顯著減少，噸水處置費(fèi)用降幅達(dá)到48.4%。以某項(xiàng)目膜系統(tǒng)進(jìn)水體積流量為1 500 m3/h計(jì)算，一年(8 000 h)節(jié)省費(fèi)用為2 637萬(wàn)元。

3 改造效果

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)水電導(dǎo)≤4 000 μS/cm，設(shè)計(jì)進(jìn)水體積流量≥28 m3/h，產(chǎn)水體積流量≥25 m3/h。經(jīng)過(guò)為期4個(gè)月的試運(yùn)行，系統(tǒng)回收率穩(wěn)定在88%以上，產(chǎn)水電導(dǎo)穩(wěn)定在36 μS/cm左右。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)SSDRO工藝與傳統(tǒng)反滲透裝置在運(yùn)行成本、系統(tǒng)回收率、脫鹽率等方面進(jìn)行綜合對(duì)比，證明SSDRO工藝回收率達(dá)88%以上時(shí)系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，且運(yùn)行成本低，較傳統(tǒng)反滲透裝置有較大突破。SSDRO工藝對(duì)我國(guó)水資源緊缺地區(qū)應(yīng)用具有重要意義。