煤化工濃鹽水處理設施蒸發塘的工藝設計

梁　斌

蘭州石化職業技術學院應用化學工程系　蘭州　730060和慧娟　中石化寧波工程有限公司蘭州分公司　蘭州　730060

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煤化工濃鹽水處理設施蒸發塘的工藝設計

梁斌*

蘭州石化職業技術學院應用化學工程系蘭州730060和慧娟中石化寧波工程有限公司蘭州分公司蘭州730060

摘要大型煤化工企業的生產會產生大量的含鹽廢水，蒸發塘是一種低能耗的處理高含鹽廢水的設施。本文從蒸發塘設計的自然條件出發，確定工藝流程和蒸發塘工藝尺寸，計算水量平衡，討論現存問題。

關鍵詞煤化工 濃鹽水處理設施蒸發塘水平衡計算工藝設計

現代煤化工產生的濃鹽水水量大，鹽濃度高，成分復雜，是煤化工廢水處理的難點。在水資源短缺，環保要求嚴格的情況下，尋求處理效果好，工藝穩定性強，運行費用低的濃鹽水處理工藝已經成為煤化工自身發展的需要。目前國內應用的濃鹽水處置工藝主要有反滲透、自然蒸發、蒸發器蒸發、化學沉淀、結晶、焚燒法、膜蒸餾等。相對其它處置工藝而言，自然蒸發具有處置成本低、運營維護簡單、使用壽命長、充分利用太陽能、抗沖擊負荷好、運營穩定等優點，因而在國內新建煤化工項目中得到廣泛應用，但由于國家沒有現行的蒸發塘處理濃鹽水的設計規范，使得蒸發塘處理濃鹽水的設計和工程運行存在較多問題。本文從蒸發塘建設地點的自然條件、工藝流程、工藝條件、水平衡計算等方面進行說明，以便對蒸發塘的工藝設計提供參考。

1現場自然條件

現場自然條件主要包括氣象條件、地形地貌、地震烈度等。在蒸發塘的工藝設計中主要需要的是當地的氣象條件數據。

擬建蒸發塘所在地的氣象條件主要包括氣候情況、霜凍期、太陽輻射情況、蒸發量、降水量、風速、年平均日照時間、極端最高氣溫、極端最低氣溫、最高氣溫集中的月份、最低氣溫出現的月份、年均降水量、降水集中的月份、年均蒸發量、空氣中水汽含量、年平均相對濕度、年平均風速、全年春季風速、冬季風速、秋季風速、最大凍土深度等。年降雨量、月平均降雨量、年蒸發量、月平均蒸發量可查閱企業所在地的氣象數據。

2蒸發塘系統組成及工藝流程

2.1系統組成

根據不同的工況，蒸發塘可以由調節系統、多組蒸發系統、防滲系統、防沙防浪系統、監測系統、結晶鹽安全填埋場及其它附屬配套系統構成。每組蒸發系統包括多級蒸發池，過飽和結晶池，干鹽池等。企業可根據實際情況來確定蒸發塘的系統組成。

一般情況下，為應對廠區排放濃鹽水水量變化及污水前處理設施調整或事故狀態下污水量急劇增加的狀況，當全廠事故水池滿池時，蒸發塘可兼做事故水池臨時存放事故消防廢水，待事故結束后再根據水質情況回污水處理裝置或做它用。緩存池蓄水量應滿足容納至少半年濃鹽水排放總量的要求，或根據其它要求設計。緩存池兼有蒸發能力，為滿足容量要求，可以將水深適當加大以節約用地。緩存池溢出水位應高于首級蒸發池標高，中間設管道連接，采用人工閘閥控制溢出流量，避免濃鹽水從蒸發池溢出污染周邊環境。

蒸發區域根據濃鹽水濃度等級進行分級，一般為5～9級；過少的分級不利于充分利用較低濃度鹽水蒸發速度快的優點，而降低蒸發塘總體蒸發速率；過多的分級不僅增加筑堤工程量，也不能明顯提高蒸發速率。目前還沒有相關的標準規范，各企業根據實際情況確定蒸發單元數。各級蒸發池之間用分隔堤相隔，中間設溢流堰口或管道，堰口處設人工閘門以控制流量。只有在上一級蒸發池鹽水的濃度達到設計值時，才向下一級蒸發池放水；蒸發池水位逐級下降，便于快速蒸發。鹽分主要在次級和末級蒸發池蒸發并沉積，沉積在池底的鹽分需定期清理，便于加快蒸發，所有清理出的鹽分送至干鹽池暫時儲存。為防止面積較大的蒸發池在風力作用下產生大浪，可對各級蒸發池進行分格，一般單個蒸發池面積控制在20000m2以內。

最后一級蒸發池后面設置曬鹽池和儲鹽池。可以選用輕型扒鹽機對曬鹽池結晶層進行收集，收集的結晶物可臨時在儲鹽池儲存，最終這些鹽可以作為資源想辦法綜合利用。

2.2工藝流程

蒸發塘的進水主要從前處理工序蒸發器來的高濃鹽水，根據其它的煤化工企業相關裝置的運行經驗，從蒸發器出來的高濃鹽水中TDS量已很高，過多的分級對蒸發效率影響很小。所以在具體確定蒸發單元數時主要從三方面來考慮：① 充分考慮進水水質；② 蒸發在自然條件下完成；③ 考慮水量平衡。所以最終確定該企業的蒸發單元數為三級，具體的工藝流程見圖1。

圖1　蒸發塘工藝流程簡圖

從上游高含鹽水處理裝置來的廢水進入一級緩存池，一級緩存池兼做蒸發池。廢水在一級緩沖池通過兩根重力流管道進入二級蒸發池，管道上設人工手動控制閘閥，二級蒸發池液位可通過閥門的啟閉人工調整。二級蒸發池和三級蒸發池之間設堤壩隔離，由兩根管道連接，管道上設人工手動閘閥控制三級蒸發池的液位。在自然蒸發的作用下，高濃鹽水逐級經過二、三級蒸發池時，濃度逐漸增加，大部分結晶鹽沉積于三級蒸發池。為便于收集結晶鹽，在三級蒸發池西側設曬鹽場。

蒸發塘設計依地勢而建，每一級緩沖池池底逐級加深。事故情況下受污染的廢水經管道先進入一級緩沖池，到達最高設計液位后人工打開一級緩沖池和二級蒸發池之間的連通閥，污水自流進入二級蒸發池；二級蒸發池的污水達到最高設計液位后打開連通閥，污水自流進入三級蒸發池。

事故情況下當全場事故水池容積不夠時，蒸發塘可兼做全廠事故水池的污水暫存池。事故結束后對儲水做監測，當無污染(滿足《污水綜合排放標準》)時排廠外；當監測污染物超標時，由污水泵提升送污水處理裝置處理達標后排放。

3工藝條件的確定

煤化工企業廢水處理及回用裝置產生的反滲透濃鹽水(高含鹽廢水)正常情況下送高含鹽水蒸發及結晶單元進行處理，結晶固體外運填埋或綜合利用。為保證高含鹽廢水處理單元(蒸發及結晶)故障時廢水不外排，配套建設蒸發塘，用于接收事故或檢修情況下的高含鹽廢水。蒸發塘在自然條件下蒸發。蒸發塘的進水水質分兩種工況，第一種工況從反滲透裝置出來的高含鹽水，進水水質見表1。第二種工況是從蒸發器出來的經過濃縮的高含鹽水，各項水質指標是第一種工況指標的3.4倍左右。根據企業開停車的實際情況，蒸發塘設計進水水質以第二種工況為主。

4水量平衡計算與蒸發塘結構尺寸的確定

作為濃鹽水機械蒸發結晶的備用措施，當高含鹽水處理的蒸發與結晶裝置正常運行時蒸發塘空置；高含鹽水處理裝置發生故障或檢修期間，蒸發塘方可投入使用。所以蒸發塘的設計分兩種工況進行計算：一是蒸發與結晶裝置檢修停運(最長時間一年有30d，而且一般選在蒸發量大的6、7和8月進行)；二是結晶設備出現故障無法運行(最長時間一年有180d)。

4.1高含鹽水處理裝置檢修停運(第一種工況)

當高含鹽水處理裝置(蒸發器與結晶器)停運檢修時，進高含鹽水處理裝置的廢水全部排入蒸發塘，進入蒸發塘的水量為Vm3/a。

參考海鹵、礦鹵蒸發的技術，煤化工生產所產生的多種組分的濃鹽水蒸發與海鹽生產類似。氣象站提供的蒸發量是站內標準蒸發皿的蒸發量，與實際水面蒸發觀測值統計的蒸發量之間存在較大差異。參考海鹵、礦鹵的蒸發量的經驗折減系數，則蒸發塘全年凈蒸發總量可用下式計算：

表1　某企業第一種工況水質指標

(1)

由此可計算出蒸發塘的蒸發面積：

(2)

考慮季節變化，當自然蒸發量很小時蒸發塘需要儲水，因此蒸發塘要留有一定的余量。一般設計滿足從當年十月到來年三月的總的排入水量的蓄水要求，設計蓄水深度計算：

(3)

除了設計水深，蒸發塘設計池深還應考慮水位超高h′(m)及波浪爬高h″(m)情況，總體水深不超過3.0m，防止水過深發生“太陽池”現象，使池底部水溫過高，威脅防滲系統安全。也不宜過淺，增加占地面積，蒸發塘設計池深為：

H=h+h′+h″

蒸發面積的計算也可以根據蒸發塘建設地的土地供應情況先定出蒸發面積，然后再根據處理的高含鹽水的水量試差計算。

4.2結晶設備故障停運(第二種工況)

4.3蒸發塘設計參數

根據上面的計算方法和某企業所處的地理位置，企業一年開停車的實際情況，以第二種工況(濃鹽水結晶器從當年十月到來年三月停運)排入的水量為計算的基準，則排入的水量：

26×24×180=112320 m3

計算蒸發面積：

蒸發面積的裕度按20%考慮，則需要的面積：

S需=108120×1.2=129744m2

考慮到事故排水情況，取實際蒸發面積為134200m2(S實>S需)。

蒸發池平均有效水深：

蒸發塘所處地勢有一定坡度，北高南低。根據地形、地勢，蒸發塘分三級設置。綜合考慮各方面的因素，最終可定出某企業的蒸發塘的設計參數：一級緩存池：長×寬×深=300m×150m×1.50m，有效水深1.0m，超高0.5m，蒸發面積(液面面積)約44104m2，有效容積約43217.33m3；二級蒸發池：長×寬×深=350m×170m×1.54m，有效水深0.9m，超高0.64m，蒸發面積(液面面積)約58175m2，有效容積約51527.6m3；三級蒸發池：長×寬×深=206m×170m×2.05m，有效水深0.8m，超高1.25m，蒸發面積約33165m2，有效容積約25836m3。蒸發塘設計蒸發面積總共約135444m2。有效容積約120580.93m3。計算結果與前面設計數據基本一致，在誤差范圍之內，計算有效。三級蒸發池西側的曬鹽場：長×寬=170m×10m，面積為1700 m2。

5蒸發塘的防滲設計

蒸發塘的作用是將檢修或事故情況下的廠區排放的高濃鹽水全部蒸發，以達到廢水污水“零”排放的目標。蒸發塘為重點污染防治區，其防滲需滿足《危險廢物安全填埋處置工程建設技術要求》(國家環保局2004.4.30頒布試行)和《危險廢物填埋污染控制標準》GB 18598-2001的要求。

5.1防滲結構方案

蒸發塘存放的高濃鹽水，具有污染性，對環境影響較大。該項目環評報告確定高濃鹽水為一般工業廢物，所以按一般防滲區設計。根據《危險廢物填埋污染控制標準》GB 18598-2001，蒸發塘防滲采用雙層HDPE膜加防水毯防滲設計。

防滲層的構造依次是：場地開挖及回填后壓實整平，在壓實整平后的沙土地基上鋪GCL膨潤土防水毯墊層，接著在其上鋪一層1.5mm厚的HDPE土工膜，然后鋪復合土工排水網和排水管，再在其上鋪一層2.0mm厚的HDPE土工膜，HDPE土工膜上再設置保護層，保護層采用600g/m2的無紡土工布，保護層上澆筑100mm厚C25抗滲混凝土面層，抗滲等級為P8。

雙層HDPE膜防滲構造見圖2。

5.2滲濾液導排系統

為防止首層膜上偶然出現的孔洞或接縫缺陷，減少泄漏量，在雙層HPDE膜中間設置滲濾液導排系統。為防止滲濾液在蒸發塘底部積蓄，各個蒸發池獨立為一個防滲單元，其底部設計有一定的坡度，向南北兩側傾斜，坡比為0.5%。各蒸發池內的滲濾液經過復合排水網格首先匯集于蒸發池周圍的檢查井，然后通過檢查井匯集到蒸發池內部設置的排滲主管(塑料排水盲溝)，排滲主管以一定的坡度向南北兩側分別傾斜，坡比為1%。所有的滲濾液通過排滲主管匯集到蒸發池邊界的收集井，收集井內的滲濾液采用移動泵抽送的方式再打回蒸發池進行自然蒸發。蒸發池底部的輪廓邊界和構造必須有利于導排，能夠使得水流始終流向最低點排水口，這是滲濾液收集系統設計的基本準則。

圖2　雙層HDPE膜防滲構造

6結語

現在蒸發塘的設計還沒有相關的規范和標準，所以蒸發塘的設計相關的工程公司還在探討中。從已有的蒸發塘的運行狀況來看，效果并不理想。

筆者認為現在要考慮的問題：① 什么樣的水能進蒸發塘？只有濃鹽水才能進蒸發塘，其他污染物應盡量在前期工藝中采用現有環保技術去除掉。但是，除到什么程度合適呢？煤化工污水處理很困難，如果要把污染物全部去除，相當于再建設一個污水深度凈化處理廠，投資大；② 蒸發塘的蒸發效率問題。蒸發效率多高才允許建設蒸發塘？因為進蒸發塘的水是高含鹽廢水，因此可采取一些有效措施來提高蒸發效率，如在蒸發池周圍設水霧噴槍，增加蒸發量。但是當大風天氣時應停止噴霧，否則可能由于風吹造成高含鹽水飄向周圍環境造成二次污染。蒸發塘的處理效果是個技術問題，需要技術人員和相關企業做出大量的實驗和計算來解決這個問題；③ 蒸發池的防滲問題。蒸發塘處理的是高含鹽廢水，如果池體發生滲漏，高含鹽水滲漏進入地下水，將會造成地下水的嚴重污染；④ 蒸發塘的抗浮問題。蒸發塘系統每個蒸發池容積較大，對于地下水位較淺的地區，當蒸發塘空置時，地下水對池體的浮力可能導致蒸發池池體破壞，因此蒸發塘的抗浮設計尤為重要。

在工藝設計上可借鑒海水曬鹽的經驗，將蒸發塘按照處理功能分成了調解區、蒸發區、結晶區和干鹽區4個功能區。按照項目年進水量、進水鹽濃度和鹽組分分析結果、當地氣象條件等參數進行蒸發塘設計，尤其是蒸發折減系數的確定需要認真分析，可以說蒸發折減系數在蒸發塘水量平衡計算的準確性上起著決定性的作用。蒸發塘既要滿足蒸發量，保證蒸發效果，又要兼顧庫容，還要考慮防浪、防沙、清鹽等因素。

綜上所述，根據以上設計方案設計的某企業的蒸發塘已通過專家評審，正處于建設之中。但蒸發塘的設計工作任重道遠，還處于不斷的探索過程。

參考文獻

1曲風臣,吳曉峰,王敬賢等. 煤化工廢水“近零排放”技術與應用[J].環境影響評價,2014.06.

2黃志亮，甄勝利等.蒸發塘處理煤化工濃鹽水設計探討[J].工業用水與廢水，2015.02.

(收稿日期2016-01-15)

*梁斌:講師。1997年畢業于哈爾濱建筑大學(2000年與哈爾濱工業大學合并)硅酸鹽工程專業獲碩士學位。主要從事無機化工的教學與科研工作。聯系電話：18993189229，E-mail：liangbin1975@126.com。