煤化工反渗透浓缩液的“零排放”技术的研究现状-北极星水处理网

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我国是一个贫油、少气、富煤的国家，煤炭在一次能源的生产和消费结构中占到了70%以上。中国能源以煤炭为主的状况，在今后很长一段时期内都不会改变。近年来，由于石油价格居高不下，煤化工行业得到了迅速发展。虽然煤化工产品如柴油、汽油、航空煤油等在一定程度上替代了石油产品，但是它同时也带来了空前的环境压力。其中，水资源的过度使用和破坏被认为是最严重的问题。有研究表明，煤化工企业每生产1 t产品，直接液化需要6～7t水，间接液化需要8～12 t水，煤制甲醇需水10～17 t，而煤制烯烃则需水20～30 t。然而，我国的煤炭储量和水资源呈逆向分布，煤炭资源丰富的西部和北部地区多为干旱地区，水资源稀缺。另外，煤化工作为高污染高排放企业，如果其产生的大量废水不能得到有效处理就直接排放，必将对周边环境造成巨大污染。因此，未来如何深度处理煤化工废水，如何对处理后的水进行合理循环利用，从而降低污染物排放总量进而达到近零排放，是煤化工产业进一步发展亟待解决的问题。

反渗透技术是一种先进的膜分离技术，目前广泛应用于电子、食品、制药和化工等领域。包头某煤化工公司采用石灰软化、超滤(UF)和反渗透(RO)的组合工艺对煤化工废水和生活污水进行深度处理，其反渗透系统处理规模可达到1400 t/h。经过处理后，水的回收率可以达到65%以上，可作为循环冷却水进行回用。然而，反渗透技术的本质作用是分离污染物，并不能对污染物进行降解，在处理过程中仍会产生约35%(约450t/h)的反渗透浓缩液。乌海某焦化厂废水总量为430 t/h，其中焦化厂循环废水230 t/h，生化废水200t/h。为了缓解供水不足，该厂采用膜生物反应器(MBR)和反渗透系统对废水进行处理回用。经计算，目前约有350t/h处理后的水得到循环利用，从一定程度上解决了该地区煤炭资源相对丰富和水资源极度匮乏的矛盾。然而，反渗透所产生的浓缩液也达到了81 t/h，其COD约为50mg/L，电导率约为1 000μS/cm。虽然在传统工艺中浓盐水可用于湿法熄焦，但在2004年我国制定的“关于清理规范焦炭行业的若干意见”中明确规定，年生产能力为60万t以上的焦炭投资项目必须同步建设干熄焦装置。鄂尔多斯某煤制油公司反渗透浓缩液总量为90t/h，经过3T曝气生物滤池工艺处理后，其回用水COD、总氮和色度仍然较高，处理难度较大。反渗透浓缩液一般具有高盐分的水质特点(见表 1)，有的还含有较高的COD及难降解污染物，若直接排放必将会对土壤、地表水等产生污染，同时造成水资源的浪费，增加企业运行成本。目前，一些企业将反渗透浓缩液未经进一步处理就排入蒸发塘中，超过蒸发塘设计承载能力，导致后续污水无法处理。因此，如何进一步处理反渗透浓缩液，提高水资源利用率并最终实现近零排放对煤化工行业具有重要意义。

1、反渗透浓缩液的处理技术

1.1蒸发塘

蒸发塘是一种传统的自然蒸发技术，具有建造成本低、运行稳定、维护简单、寿命长、抗冲击负荷好等特点。目前该技术在国内某些大型煤化工项目中已得到广泛应用，已经建设的蒸发塘工程包括大唐阜新、新疆庆华、国电赤峰等。蒸发塘利用的是太阳能，在充足的日照下，浓盐水逐渐蒸发，然后结晶并最终填埋。因此，该技术对地理位置、气候条件有着严格要求。研究表明，只有多年平均蒸发量达到降雨量的3～5倍以上的地区才适合使用蒸发塘工艺。另外，从目前国内几个运行实例来看，蒸发塘面积和容积偏小，蒸发速率过慢，导致蒸发塘不断扩建，无法达到零排放的目的。

蒸发塘的深度是另一个重要因素。有研究表明，蒸发塘的最佳深度为25～45 cm，此种深度下可以达到最大的蒸发速率。蒸发塘的蒸发速率一般为4L/(m2˙d)，为了加快蒸发，在风力协助下使用某些吸水材料成为一种可行的方案。J.M. Arnal等测试了不同的吸附材料对提高蒸发速率的影响，结果表明，吸附剂的使用可以有效加快水面蒸发，提高总体蒸发速率;其中含有65%纤维素和35%棉花的长方形布状多孔材料是最有效的吸附剂，其孔径大约为26nm。另外，增加空气流动速度也是提高蒸发速率的有效方法。

1.2多效蒸发器

多效蒸发是将2个或多个蒸发器串联起来进行操作的过程。前一蒸发器内蒸发时所产生的二次蒸汽可以作为后一蒸发器的加热蒸汽，只要后一蒸发器内的压力和溶液沸点较原来蒸发器中的低，则引入的二次蒸汽即能起到加热热源的作用。每一个蒸发器称为一效，通过循环利用蒸汽，重复利用了热能，从而降低了能耗成本。郭杰等利用三效蒸发系统对反渗透浓盐水进行了中试处理研究，其工艺流程如图 1所示。

反渗透浓盐水首先经过0.4MPa低压饱和蒸汽进行加热，再依次进入一效、二效、三效蒸发器进行蒸发，前一效蒸发器蒸发出来的蒸汽可以作为后一效蒸发器的热源。最终蒸汽经过冷凝器冷却成冷凝水，进入淡水箱。回收的冷凝水电导率<200μS/cm、COD<10 mg/L、NH4+-N<2mg/L，达到水质回用要求。另一方面，从三效蒸发器中排出的饱和物料进入到旋流增稠器，其中的稀溶液进行外循环，而浓物料则进入结晶器和离心机，最终转化成固态盐泥。

由于多效蒸发过程的能耗主要来自蒸汽，而在大多数的煤化工企业项目中，蒸汽是一种副产品，容易得到，成本较低，因此，多效蒸发技术非常适合煤化工废水的处理。然而，在实际操作过程中，由于结垢作用，多效蒸发设备的蒸发量随着使用时间的增加会逐渐减少，所以如何控制和清除多效蒸发过程中的盐垢从而提高蒸发效率，是未来研究的方向。

1.3电渗析

电渗析是一种以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作。其主要过程如下：含盐废水进入到电渗析器后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室，分别得到脱盐淡水和浓缩盐水。电渗析技术最初用于海水淡化，目前已经成为一个大规模的化工单元过程，广泛应用于各个行业，如化工、医药、电子、冶金等。电渗析技术一般适于处理含盐质量浓度为500～4 000 mg/L的废水，当待处理水的含盐量较低时，则经济性较差，可采用与离子交换相结合的方法。

近年来，一些新的电渗析技术得到了长足发展，如频繁倒极电渗析、填充床电渗析、高温电渗析、无极水电渗析、无隔板电渗析、双极膜电渗析等。其中，频繁倒极电渗析系统具有自动倒转电极极性并同时自动改变浓水和淡水的水流流向的功能。频繁倒极电渗析可防止膜堆内部结垢，减轻黏性物质在膜面的附着和积累，其操作电流高，因此原水回收率高，稳定运行周期长。美国通用电气公司(GE)使用频繁倒极电渗析技术，在西班牙巴塞罗那建立了目前世界上最大的电渗析厂，其总装机容量为1×106 m3/d，共采用576个电渗析膜堆，每天产水约20万t。另外，E. Korngold等的研究表明，利用电渗析技术将含盐质量分数为0.2%～2%的浓盐水浓缩到含盐质量分数为12%～20%时所需要的能耗大约为1.0～7.0kW˙h/m3，大大低于热蒸发所需要的能耗(25kW˙h/m3)。然而，电渗析技术仍然存在一些技术难点，例如，如何减轻电渗析膜上的结垢现象从而降低能耗。有研究表明，CaSO4是膜污染的主要来源，如果在系统中增加CaSO4沉淀池则可有效缓解电渗析膜上的结垢问题，从而降低能耗，延长电渗析膜的使用寿命。

原标题：煤化工反渗透浓缩液的“零排放”技术的研究现状

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