2025-07-22
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煤制油作為石油替代品，對于確保國家能源安全具有戰(zhàn)略意義。然而，煤制油過程中高耗水和高污染問題一直備受爭議，每生產(chǎn)一噸油品需消耗約10噸新鮮水。此外，我國煤炭資源豐富的地區(qū)普遍面臨水資源短缺，低于全國平均水平，水資源短缺已成為制約煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，采用先進(jìn)的節(jié)水減排技術(shù)是解決水資源問題的關(guān)鍵途徑之一。
煤直接液化技術(shù)是將煤炭在催化劑作用下直接加氫，實現(xiàn)煤炭直接轉(zhuǎn)化為柴油、石腦油等油品的過程。在該過程中，大量冷卻水和除鹽水被消耗，其中循環(huán)冷卻水和除鹽水制備用水量占總用水量的90%以上，且循環(huán)冷卻排污水和除鹽水制備過程中產(chǎn)生的離子交換再生廢水占全廠廢水總量的約50%。因此，對含鹽廢水進(jìn)行有效處理和回收利用，不僅能夠顯著減少水資源的浪費，而且能夠避免含鹽廢水直接排放對土壤、地表水和地下水造成的嚴(yán)重污染，從而保護生態(tài)環(huán)境。
本研究針對某煤制油項目，采用溶氣氣浮-微濾-反滲透-蒸發(fā)器組合工藝處理煤制油含鹽廢水并實現(xiàn)回用。本文詳細(xì)闡述了該項目含鹽廢水處理回用工藝的設(shè)計方案，并對生產(chǎn)運行期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)和分析。
一、工程設(shè)計
1.1、廢水水量設(shè)計
含鹽廢水總水量平均為286m3/h，主要由循環(huán)冷卻水排污水、化工區(qū)凝結(jié)水站中和廢水、熱電中心除鹽水站排水三部分組成。循環(huán)冷卻水排污水源自廠區(qū)三座循環(huán)水裝置的旁濾器反洗水和強制排污水，水量約為202m3/h；凝結(jié)水站中和廢水源自過濾器反洗水和混床再生廢水，水量約為10m3/h；除鹽水站排水源自過濾器反洗水和離子交換再生廢水，經(jīng)站內(nèi)酸堿中和廢水池中和預(yù)處理后排出，水量為74m3/h。
循環(huán)冷卻水排污水與凝結(jié)水站中和廢水混合后進(jìn)入含鹽廢水膜處理系統(tǒng)，通過反滲透技術(shù)回收約157m3/h的優(yōu)質(zhì)再生水，反滲透產(chǎn)生的濃水55m3/h與除鹽水站排水混合后進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行處理，回收115m3/h的蒸餾水，并排出約11.3m3/h的濃水送至蒸發(fā)塘自然蒸發(fā)，占總水量約1%~2%的廢水通過脫氣塔排出。
1.2、進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計
循環(huán)冷卻水排污水與凝結(jié)水處理站的中和廢水在均質(zhì)罐中混合均質(zhì)，為后續(xù)水處理過程提供一個相對穩(wěn)定的水質(zhì)。設(shè)計水質(zhì)基于來水的水質(zhì)和水量，通過加權(quán)平均計算得出，均質(zhì)罐設(shè)計出水水質(zhì)見下表：
均質(zhì)罐出水進(jìn)入含鹽廢水膜處理系統(tǒng)，采用氣浮-微濾預(yù)處理工藝，以去除水中的懸浮物和硅，出水進(jìn)入反滲透脫鹽系統(tǒng)，反滲透的滲透液作為優(yōu)質(zhì)再生水回收，反滲透的濃水與除鹽水站再生廢水混合后送至廢水澄清池，將廢水中所含的懸浮固體絮凝后從溶液中沉淀出來，從澄清池溢流出來的清水(（濁度小于5 NTU）送至蒸發(fā)器系統(tǒng)。蒸發(fā)器設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如下表所示：
1.3、出水水質(zhì)設(shè)計處理后回收的產(chǎn)品水分為兩部分，一部分是反滲透的產(chǎn)水，另一部分是來自蒸發(fā)器的蒸餾水，設(shè)計預(yù)測出水水質(zhì)如下表3、表4所示：
1.4、廢水處理工藝流程
1.4.1、廢水處理工藝的選擇
當(dāng)前，工業(yè)上處理含鹽廢水的主流技術(shù)主要包括離子交換法、膜分離法以及蒸餾法等。在選擇技術(shù)時，本研究遵循了成熟性、可靠性和高效性的原則，最終確定了以反滲透技術(shù)和蒸發(fā)器為核心的復(fù)合工藝。鑒于反滲透技術(shù)對進(jìn)水水質(zhì)的高潔凈度要求，合理的預(yù)處理設(shè)計成為反滲透成功實施的關(guān)鍵因素。雙膜法在處理循環(huán)冷卻水排污水方面已得到廣泛應(yīng)用，但若預(yù)處理措施不當(dāng)，將難以保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。因此，針對特定的廢水水質(zhì)特征，預(yù)處理措施的有效性顯得尤為關(guān)鍵。反滲透過程中產(chǎn)生的濃排水因濃縮了污水，其有效處理成為一項挑戰(zhàn)。在實現(xiàn)廢水“零排放”的要求下，蒸發(fā)成為不可或缺的步驟。為此，本研究引入了“晶種法”降膜式循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)，該技術(shù)有效解決了蒸發(fā)器換熱管結(jié)垢的問題?？紤]到工廠存在可利用的低壓蒸汽廢熱，原設(shè)計方案中采用的壓縮機電力驅(qū)動被調(diào)整為低壓蒸汽驅(qū)動，以降低工程的初始投資成本。
通過綜合技術(shù)經(jīng)濟分析，本研究最終確定了溶氣氣浮-微濾-反滲透-蒸發(fā)器的復(fù)合工藝流程。
1.4.2 工藝流程概述
工藝流程如下圖所示。氣浮和澄清池產(chǎn)生的泥渣被收集至污泥池中，隨后送入污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。
5、主要裝置與設(shè)計參數(shù)
1.5.1、溶氣氣浮系統(tǒng)（DAF）
針對本項目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水的水質(zhì)特點，即微生物、有機物、硅酸鹽、鈣鎂離子等濃度較高，本研究通過投加FeCl3、MgSO4、助凝劑及NaOH等多種藥劑，在控制DAF出水pH值為11.1~11.3的同時，實現(xiàn)鎂劑脫硅以及水中油、膠體顆粒及大部分懸浮物的去除，并部分去除暫時硬度。溶氣氣浮工藝的部分氣浮池出水加壓至0.6MPa，形成飽和溶氣水后循環(huán)回到氣浮單元，在進(jìn)水段與進(jìn)水混合。溶氣水通過減壓閥釋放，水中溶解的氣體形成微氣泡浮出水面，將水中顆粒物及油滴帶出，通過刮沫機排出；過重的沉淀污泥通過池底刮泥耙收集經(jīng)池底中心排泥管排出；清水從氣浮池的中部導(dǎo)出引至集水槽。氣浮系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)水懸浮物的質(zhì)量濃度約1000 mg/L，預(yù)期澄清水的懸浮物質(zhì)量濃度小于2 mg/L，濁度小于2NTU。
1.5.2、微濾系統(tǒng)（MF）
氣浮出水調(diào)節(jié)pH值小于10（保持在9.6~9.9）后送入MF，MF采用中空纖維膜系統(tǒng)。MF膜系統(tǒng)采用兩組平行的膜組件整體撬裝，每個MF單元的設(shè)計產(chǎn)水量為106.5 m3/h，MF的水回收率在90%~98%，出水SDI小于3。MF單元的進(jìn)料首先通過自清洗過濾器，以去除大于400 μm的固體顆粒。在正常運行模式下，當(dāng)過濾器入口和出口的壓差較高時，旋轉(zhuǎn)篩過濾器可以自動反洗，或手動啟動過濾器的反洗。MF按正常產(chǎn)水、反洗、膜通量維護等步驟自動運行，并配有膜完整性檢測系統(tǒng)。大約每隔20分鐘，MF單元將自動對膜進(jìn)行少于2分鐘的沖洗維護；每日進(jìn)行一次自動的化學(xué)加強洗，持續(xù)時間為45~60分鐘；定期手動進(jìn)行在線清洗，以清理膜上不能被沖洗或化學(xué)加強洗循環(huán)清除的沉淀物。
1.5.3、反滲透系統(tǒng)（RO）
RO系統(tǒng)設(shè)計能力為2×78.5 m3/h，水回收率為75%。微濾出水進(jìn)入中間水箱，提升后通過5μm濾芯保安過濾器后進(jìn)入2套RO系統(tǒng)進(jìn)行處理。當(dāng)保安過濾器的壓差高于100kPa時，必須更換濾芯。在保安過濾器和RO膜組件之前，投加還原劑、阻垢劑和硫酸，亞硫酸氫鈉作為還原劑被添加到RO進(jìn)水中，用于去除RO進(jìn)水中的殘余氯，防止氯氧化RO復(fù)合膜；硫酸被添加到RO進(jìn)水中，用于將pH值降低到大約6.5，以確保RO系統(tǒng)中不會形成水垢；阻垢劑被添加到RO進(jìn)水中，用于控制RO薄膜上形成硫酸鈣和二氧化硅水垢。膜組件不要求反洗，但需要定期就地清洗。經(jīng)RO系統(tǒng)進(jìn)一步去除水中污染物，產(chǎn)生的透過液進(jìn)入儲罐，經(jīng)泵提升進(jìn)入反滲透產(chǎn)品水罐，可供回用。排出濃水與熱電中心廢水調(diào)節(jié)罐出水在濃鹽水罐混合后，提升進(jìn)入后續(xù)澄清池單元。
1.5.4、澄清池
澄清池采用固體接觸式澄清池技術(shù)。該澄清池設(shè)計使用一種葉輪提升裝置和一個導(dǎo)流筒，在固體接觸區(qū)，固體顆粒再循環(huán)以強化絮凝反應(yīng)，促進(jìn)絮體的增長，增大的絮體經(jīng)過污泥床時，進(jìn)一步被截留，從而達(dá)到更好的澄清效果。在進(jìn)水中投加聚丙烯酰胺和硫酸鋁以幫助絮凝，澄清池中的循環(huán)也可以促進(jìn)這些化學(xué)藥品的分散，以便更好地發(fā)揮其效果。通過固體接觸澄清池中的固液分離，廢水中所含的懸浮固體以及絮凝產(chǎn)生的氫氧化鋁都會從溶液中沉淀出來，從澄清池出水槽溢流出來的清水濁度小于5NTU，輸送到清水罐，再由泵送至蒸發(fā)器進(jìn)料緩沖罐。澄清池沉淀的泥渣通過池底刮泥機收集到導(dǎo)流筒入口和污泥坑處，濃縮污泥將被清除并且運送到污泥罐中。
1.5.5、蒸發(fā)器系統(tǒng)
為了進(jìn)一步提高水回收率，實現(xiàn)“零排放”的目標(biāo)，采用蒸發(fā)器對濃水進(jìn)行蒸發(fā)回收。“晶種法”降膜式循環(huán)蒸發(fā)器在使用晶種法技術(shù)運行時，也成為鹽水濃縮器?！熬ХN法”技術(shù)解決了蒸發(fā)器換熱管的結(jié)垢問題，成功應(yīng)用于各種含鹽工業(yè)廢水處理。
蒸發(fā)器設(shè)計處理能力為129 m3/h，進(jìn)料水首先通過調(diào)節(jié)pH值至約5.5~6.0，使水中碳酸鹽堿度轉(zhuǎn)換成二氧化碳，然后將調(diào)節(jié)的進(jìn)料水通過泵送入熱交換器；加熱后的鹽水被送入除氧器，該除氧器是一個汽提塔，主要去除二氧化碳、氧氣和不溶性氣體等；經(jīng)調(diào)節(jié)、加熱和除氧的鹽水進(jìn)入蒸發(fā)器底部，并與濃縮器內(nèi)部循環(huán)的鹽水進(jìn)行混合，利用鹽種循環(huán)系統(tǒng)保持鹽水中適當(dāng)濃度的鹽種，使得在蒸發(fā)器傳熱表面不結(jié)垢的情況下濃縮鹽水成為可能。含鹽濃水分別經(jīng)加酸、預(yù)熱和脫氣處理后，進(jìn)入鹽水濃縮器，使用外部提供的低壓蒸汽將管殼內(nèi)部的濃水蒸發(fā)，一次蒸汽冷凝液送全廠凝結(jié)水站回收利用，蒸發(fā)器排出的二次蒸汽通過空冷器冷卻為凝結(jié)水后用泵送入蒸發(fā)器產(chǎn)品水罐。蒸發(fā)工藝將進(jìn)料濃縮大約11倍，設(shè)計水的回收率大約91%，產(chǎn)品為高品質(zhì)的蒸餾水。經(jīng)蒸發(fā)器濃縮處理后排放少量的鹽鹵水，固溶物的質(zhì)量濃度可高達(dá)300,000 mg/L，送至廠外渣場的蒸發(fā)塘進(jìn)行自然蒸發(fā)。
二、運行結(jié)果與分析
2.1、含鹽廢水膜處理系統(tǒng)
自投入運行以來，該膜處理系統(tǒng)實現(xiàn)了長期穩(wěn)定運行，并成功回收了循環(huán)水排污水。盡管實際水質(zhì)部分指標(biāo)超出了設(shè)計水質(zhì)，但反滲透出水穩(wěn)定達(dá)到回用水水質(zhì)要求，滿足了再生水回用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)性能考核期間的進(jìn)、出水水質(zhì)平均運行數(shù)據(jù)如下表所示：
通過上表的數(shù)據(jù)分析，可以觀察到DAF對硅、鈣、鎂等離子的去除效率并不理想，主要原因是溶氣氣浮的停留時間過短，導(dǎo)致沉淀物無法及時沉淀。為解決此問題，進(jìn)行了系統(tǒng)改造，通過增建沉淀池有效改善了去除效率。含鹽廢水蒸發(fā)器自投入運行以來，工藝運行整體穩(wěn)定，對高含鹽廢水處理減量，實現(xiàn)“零排放”目標(biāo)發(fā)揮了重要作用。成套蒸發(fā)器設(shè)備經(jīng)過長期運行實踐證明，設(shè)備在線率較高，檢修時未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢問題。系統(tǒng)性能考核期間的進(jìn)、出水水質(zhì)測試數(shù)據(jù)如下表6所示。從下表數(shù)據(jù)可見，產(chǎn)水含鹽量較低，可作為優(yōu)質(zhì)再生水進(jìn)行回用。然而，蒸發(fā)器產(chǎn)品水中的CODM偶有殘留，這主要是由于進(jìn)入蒸發(fā)器系統(tǒng)中的廢水中存在揮發(fā)性有機物所致。
2.3、廢水處理后回用情況
含鹽廢水處理流程中膜分離工藝單元處理后產(chǎn)生的再生水量平均為157 m3/h，水中含少量鹽分，可以直接用泵提升送至除鹽水處理系統(tǒng)作原水使用；蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸餾水量平均為115 m3/h，水中有一定量的CODM，鹽分很低，正常情況下可送至除鹽水站做原水使用。含鹽廢水回用量達(dá)到272m3/h，回用率高達(dá)95%以上，每年可回收水量200多萬t，節(jié)約了大量新鮮水。配合其它節(jié)水措施，煤制油項目實際噸油水耗可降至6t以下。
三、結(jié)語
目前，含鹽廢水的處理與回用在國內(nèi)尚處于起步階段。盡管雙膜法在循環(huán)水排污水回用方面應(yīng)用較為普遍，但常常因為預(yù)處理措施不當(dāng)，難以保證系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行；而反滲透排出的濃水由于對污水進(jìn)行了濃縮，如不處理將會形成新的污染源。因此，如何有效處置反滲透的濃水是水處理業(yè)內(nèi)面臨的一個難題。
西安量子晶環(huán)保科技有限公司是專業(yè)從事蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、精餾、化工、環(huán)保、危廢資源化利用等裝置的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、工程配套、工程施工與技術(shù)服務(wù)的專業(yè)公司。
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公司擁有強大的設(shè)計團隊、成熟的設(shè)計制度以及多年的工程設(shè)計經(jīng)驗與施工服務(wù)體系， 從上世紀(jì)90年代起就涉足蒸發(fā)濃縮結(jié)晶領(lǐng)域，技術(shù)骨干均是專業(yè)設(shè)計院出身，專長于各類 高效節(jié)能蒸發(fā)濃縮與結(jié)晶系統(tǒng)的工程設(shè)計、設(shè)備生產(chǎn)、施工調(diào)試、運行維護等，尤其專長于對各類疑難問題提出系統(tǒng)解決方案。
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