王琪琨，高健磊，王文豪，劉 棟

（1.鄭州大學，河南鄭州450001；2.河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司，河南洛陽471100）

中國是乙二醇消費大國，2018年全年進口量達980.24萬t，對外依存度約60%。我國煤炭資源豐富，煤炭在我國能源消費結(jié)構的比重達到64%〔1〕。隨著我國能源結(jié)構的調(diào)整，煤制乙二醇被列入國家石化產(chǎn)品調(diào)整和振興計劃〔2〕。煤化工行業(yè)最顯著的特點是新鮮水需求量巨大，廢水排放量大且水質(zhì)復雜〔3〕。而我國煤炭資源和水資源在空間上呈現(xiàn)出逆向分布〔4〕。如果采用適當?shù)膹U水回用技術，將外排水變廢為寶，不僅能夠降低水資源消耗，克服煤化工企業(yè)發(fā)展中的一個主要制約因素，而且有利于企業(yè)和社會的可持續(xù)發(fā)展，同時符合《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》中“量水而行，綠色發(fā)展”的基本原則。隨著環(huán)保形勢的日趨嚴峻，實現(xiàn)煤化工廢水的深度處理并回用成為煤化工企業(yè)污染治理的主流趨勢。

煤制乙二醇生產(chǎn)廢水種類較多，主要有乙二醇污水、煤氣化廢水及生活污水，同時還包括循環(huán)水站排污水和回用水站排污水。煤化工廢水在回用處理過程中，主要表現(xiàn)為COD、硬度、電導率等值偏高〔5〕。高硬度和高含鹽量的回用水容易造成設備結(jié)垢、腐蝕〔6〕，尤其是硅垢難以處理〔7〕，因此脫鹽是回用水處理的核心。煤化工廢水的深度處理技術包括高級氧化法、混凝沉淀法、吸附法、生化法，但這些方法存在出水水質(zhì)不高、回用水量較低等問題。

近年來，膜分離技術因其選擇性好、適應性強、能耗低并兼有分離、濃縮純化等特點，已廣泛應用于水處理領域。但該技術在應用過程中存在膜污染現(xiàn)象。研究表明，超濾/反滲透雙膜工藝不僅能有效去除有機物、降低COD，而且可減少膜污染的發(fā)生，同時對無機鹽類有很好的脫除效果〔8〕。

1 工程概況

河南某煤化工企業(yè)年產(chǎn)20萬t煤制乙二醇項目采用混凝沉淀+臭氧氧化+曝氣生物濾池（BAF）工藝對由A/O生化出水、循環(huán)水站排污水和除鹽水站排水形成的綜合廢水進行深度處理，出水進入回用水處理系統(tǒng)。回用水站設計進水量500 m3/h，出水量300 m3/h，設計出水水質(zhì)參考《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》（GB 50050—2007）中再生水水質(zhì)指標?；赜锰幚碇黧w工藝采用超濾+反滲透。表1為超濾/反滲透的設計進出水水質(zhì)。

表1 設計進出水水質(zhì)

2 工藝流程及主要設備

2.1 工藝流程

反滲透是脫鹽系統(tǒng)的核心，對進水水質(zhì)要求較嚴格，因此需要對回用水站進水作適當?shù)念A處理。根據(jù)原水的水質(zhì)特點，回用水站采用活性炭過濾器+自清洗過濾器+超濾+反滲透的處理工藝，工藝流程見圖1。

圖1 回用水站處理工藝流程

2.2 主要設備

2.2.1 活性炭過濾器

活性炭過濾器共設置6臺，5用1備，單臺設計處理能力100 m3/h，正常濾速＜15 m/h，設計壓力0.06 MPa，最大運行壓差0.1 MPa。濾料采用活性炭和石英砂，鋪裝厚度分別為1 700 mm和300 mm。活性炭比表面積很大，表面布滿了孔徑小于2 nm的微孔，具有很強的吸附能力，可以有效去除原水中的懸浮物、顆粒物及膠體等物質(zhì)，同時對原水中的濁度、色度起到降低作用。該設備可以完全濾除由于絮凝加藥所生成的礬花和原水中的顆粒、藻類等。經(jīng)過活性炭過濾器過濾，可以去除63%~86%的膠體物質(zhì)、50%左右的鐵以及47%~60%的有機物，而且降低了反滲透系統(tǒng)給水中的余氯，還可有效控制復合膜微生物污染問題的發(fā)生。

在活性炭過濾器前面，配置有殺菌劑（質(zhì)量分數(shù)為10%的NaClO）和絮凝劑（PAC）投加裝置，以防止微生物的生長、膜污堵，提高系統(tǒng)的處理效果和使用壽命。藥劑投加裝置均采用電磁隔膜泵（流量25 L/s，壓力1.2MPa），分別配置2臺，1用1備。

2.2.2 自清洗過濾器

在超濾前設置過濾精度為100μm的自清洗過濾器，保護超濾膜免受機械性損傷?；钚蕴窟^濾器的產(chǎn)水從自清洗過濾器進水口進入后，依次通過粗濾芯組件和細濾網(wǎng)濾除顆粒雜質(zhì)，清水由出水口排出。過濾過程中，由于雜質(zhì)的逐漸堆積，在細濾網(wǎng)內(nèi)外兩側(cè)形成壓差，當壓差達到0.07 MPa，過濾器開啟自動清洗，整個清洗過程持續(xù)約數(shù)十秒。自清洗過濾器為立式圓筒式，正常出力230 m3/h，殼體采用316不銹鋼，濾芯長度1 000 mm。

2.2.3 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)用于截留水中的膠體物質(zhì)、顆粒、細菌、病菌和原生動物等，主要由超濾裝置、超濾產(chǎn)水箱、超濾產(chǎn)水泵、化學清洗裝置等組成。超濾系統(tǒng)共設置2套，每套設計出水量234 m3/h，設計回收率≥90%，SDI≤3（20℃、運行 3 a后）。 超濾膜選用 DOW公司SFP-2880型中空纖維膜，材質(zhì)為PVDF，每套60 支，膜面積 77 m2，膜通量 60 L/（m2·h），運行方式為外壓運行，最大運行壓差0.21 MPa。

超濾裝置在連續(xù)運行60 min后進行1次反洗，采用氣-水聯(lián)合反洗，反洗系統(tǒng)包括反洗水泵和次氯酸鈉加藥裝置，系統(tǒng)取水來自超濾產(chǎn)水箱。反洗過程:氣洗 60 s，氣洗通量 5~12 Nm3/h；反洗 120 s，反洗通量 100~150 L/（m2·h）；正洗 60 s，正洗通量 5~12 Nm3/（m2·h），清除組件內(nèi)的空氣和殘留的污染物。配置超濾反洗泵2臺，流量346 m3/h，揚程0.25 MPa。

2.2.4 反滲透系統(tǒng)

反滲透是在壓力驅(qū)動下，利用半滲透膜的選擇截留作用，將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分離。反滲透是整個脫鹽系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其作用是脫除水中的無機鹽離子、膠體、有機物及微生物，主要由保安過濾器、反滲透裝置、還原劑加藥系統(tǒng)、阻垢劑加藥系統(tǒng)等組成。

超濾出水進入反滲透系統(tǒng)前，首先通過管式混合器，與阻垢劑、還原劑進行混合反應，以還原多余的氧化劑及進行阻垢穩(wěn)定處理。此外，反滲透裝置前配置2臺通過能力為234 m3/h的5μm保安過濾器，以防止大顆粒物進入高壓泵或反滲透膜。保安過濾器單臺設計運行濾速 10 m3/（m2·h），濾芯長 1 000 mm，設計壓力0.6 MPa，最大運行壓差0.07 MPa，外殼采用316不銹鋼，內(nèi)裝精度5μm濾袋。在正常工作情況下，濾袋可維持3~4個月左右的使用壽命，當壓差大于0.07 MPa時更換。

反滲透裝置共2套，每套設計產(chǎn)水量175 m3/h，設計脫鹽率≥98%。反滲透膜采用DOW公司BW30-400FR高脫鹽率抗污染型卷式復合膜，每套配置264根膜組件，膜面積 37 m2/根，膜通量 18 L/（m2·h），分別安裝在44根FRP壓力容器內(nèi)，按一級兩段設置，26∶18排列。反滲透高壓泵采用不銹鋼材質(zhì)臥式離心泵（流量 200 m3/h，揚程 1.50 MPa），共配置 3臺，2用 1備。

反滲透膜在長時間運行后，會因污染而出現(xiàn)結(jié)構或性能下降。通常當反滲透產(chǎn)水量下降10%或壓降增加15%時，需進行化學清洗。反滲透系統(tǒng)化學清洗裝置主要由清洗保安過濾器、清洗水箱、清洗水泵等組成。反滲透的化學清洗過程:氣洗（30 s）—排水（30 s）—反洗（120 s）—浸泡（10 min）—氣洗（30 s）—排水（30 s）—反洗（120 s）—正洗（60 s）。 使用反滲透產(chǎn)水配制成質(zhì)量分數(shù)為0.3%的鹽酸溶液清洗，清洗后的清洗液回到清洗水箱。配置反滲透沖洗泵1臺，流量200 m3/h，揚程0.4 MPa。現(xiàn)階段反滲透化學清洗周期為1個月。

3 運行效果

回用水站廢水回用處理工程調(diào)試完成后，截至目前已經(jīng)運行半年，各工段運行效果見表2。

表2 各工段運行效果

煤制乙二醇工業(yè)廢水污染物成分復雜，且該企業(yè)的主要生產(chǎn)原料煤炭來自不同的供應商，使回用水站的進水水質(zhì)波動較大。實際運行數(shù)據(jù)顯示，使用活性炭過濾器+自清洗過濾器+超濾作為反滲透的預處理，可高效、穩(wěn)定地去除污染物，反滲透裝置的給水中COD約為2.9 mg/L，濁度約為0.56 NTU，有效控制了膜污堵。反滲透膜的化學清洗周期約為30 d。

活性炭可以吸附去除水中余氯，使超濾產(chǎn)水中的余氯降至約0.08 mg/L，滿足了反滲透給水中余氯≤0.1 mg/L的要求。反滲透出水電導率約為40μS/cm，總脫鹽率為98.0%，除鹽效果顯著。

反滲透出水硬度未檢出，SiO2質(zhì)量濃度約為6.77μg/L（去除率約55%），說明預處理可有效避免反滲透膜及設備結(jié)垢（尤其是硅垢）。

4 成本分析

本項目總投資約800萬元。運行費用包括:石英砂/活性炭濾料損耗費約0.30元/m3（濾料壽命按0.5 a計）；電費約 0.98元/m3；藥劑費用約 1.32元/m3；超濾和反滲透膜耗約0.40元/m3（按3 a使用壽命計）；清洗費用2 000元/月；人工費按4人定員，工資約 4 000 元/（月·人）。合計運行成本約 2.95 元/m3。當?shù)毓I(yè)用水價格為3.5元/m3，相當于節(jié)省運行費用3 958元/d，經(jīng)濟效益明顯。

5 結(jié)論

實際運行結(jié)果表明，將活性炭過濾器+自清洗過濾器+超濾+反滲透工藝應用于煤制乙二醇工業(yè)廢水的回用處理工程切實可行，處理出水水質(zhì)遠遠優(yōu)于再生水水質(zhì)標準，總體回用率約60%，脫鹽率98.0%，而且工藝簡單，占地面積小，經(jīng)濟和社會效益顯著。