某煤化工中水回用項目智慧反滲透(SSDRO)技術中試研究

葉 飛，李 成，朱德漢，肖 杰，王 濤，劉 林

(1. 國能新疆化工有限公司， 烏魯木齊 831404； 2. 南京順水達環保科技有限公司， 南京 210000)

煤化工技術是指以產出新的能源和產品為主的煤化學加工轉化技術，以潔凈煤技術為基礎，涉及煤的焦化、氣化、液化等方面。某煤化工項目以煤為原料，每年生產180萬t甲醇。在生產和運行過程中自主研發了一套神華MTO處理技術，可以將甲醇轉化為烯烴，進一步生產聚乙烯、聚丙烯等其他化工產品。該項目主要包括煤氣化、凈化、硫回收、甲醇合成、甲醇制烯烴、烯烴分離、C4烯烴轉化、低密度聚乙烯/聚丙烯等工序。為了保障系統長期穩定運行，配套了自備電站(包含化水站)、凈水場、循環水場、污水處理、儲罐區等公用工程、輔助設施及廠外輔助處理工程[1]。

本次項目的中試地址位于新疆烏魯木齊，由于水資源緊缺，當地煤化工企業對水的利用尤為重視。本煤化工廠區建設有大型脫鹽水系統和中水回用處理系統、廢水零排放系統。水處理系統的核心處理工藝采用膜處理技術，通過滲透和反滲透的原理將水中的離子分離出來，從而得到高純度脫鹽水，回用于生產補給。

1 膜處理技術

目前國內運用較多的膜技術包括過濾膜(超濾、膜生物反應器、管式微濾)、滲透膜(納濾、反滲透、正滲透、碟管式反滲透、管網式反滲透膜)、離子膜(均相膜、異相膜、雙極膜)[2]，主要運用于煤化工、電廠脫硫廢水、礦場廢水、電力行業給水、市政給水等場景。本次中試項目為響應國家節水號召，運用了某公司自主研發的智慧反滲透(SSDRO)系統。該技術將常規膜處理系統75%的回收率提高到88%，減少了系統的排水量，降低了濃水的二次處理費用。

1.1 常規反滲透膜技術

1960年美國加利福尼亞大學的洛布與素里拉簡發明了一項高新膜分離技術“反滲透膜”，利用一定的壓力使溶液中的溶劑經過反滲透膜(或稱半滲透膜)分離出來。因為與自然滲透的方向相反，故也稱為逆滲透。根據各種物料的不同滲透壓，達到分離、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、有機物、細菌、病毒、熱源等。該技術已廣泛用于苦咸水淡化、電子和醫藥用純水、飲用水、太空水、海水淡化、中水廢水回用等行業。單支膜元件對水中溶解性離子的脫除率達到99%以上，而脫除膠體物質、有機物的能力更是超過其脫鹽能力。圖1為反滲透原理圖[3]。

圖1 反滲透原理圖

反滲透膜通過半透膜和兩側的壓力差來推動運行。用反滲透膜將濃鹽水和淡水隔開，淡水會通過反滲透膜向濃鹽水滲透。如果在濃鹽水中持續施加壓力，當大于淡水滲透壓力時，濃鹽水中的水分子會通過反滲透膜進入淡水，不能通過的鹽分則留在濃水側。反滲透運行過程見圖2。

經過長時間反滲透運行后，濃水端的鹽分不斷提高，不排放會結垢，導致系統癱瘓，所以在反滲透系統運行過程中需設置濃水排放。常規反滲透系統運行方式見圖3。

由圖3可知，系統進水經過高壓泵增壓后進入第一段膜殼，產出系統的產水。模塊C為一段產出的膜殼濃水，匯總后進入二段膜殼。最終濃水經過調節閥后出水。二段產水則與一段產水匯合后作為系統的總產水進入產水箱。在運行過程中，系統中濃水含鹽量逐步提升，導致結垢嚴重。

假設系統總進水體積流量為100 m3/h，為了保障足夠的水量把濃水的鹽分沖走，通過調節閥開度，將濃水體積流量控制在25 m3/h，產水體積流量控制在75 m3/h。根據進水水質的不同，如常規地表水、地下水，設置系統回收率為75%，剩下的水作為濃水外排，從而保障系統正常運行。

1.2 SSDRO技術

常規反滲透工藝是在損耗大量產水的前提下運行的[4]。SSDRO技術最初針對高含鹽脫鹽處理開發研究，目的是提高脫鹽系統的回收率，并減少廢水的排放量。SSDRO裝置，在提高反滲透系統回收率的同時，不僅能減少濃水排放量，而且還能降低結垢傾向，減少系統阻垢劑等藥耗量，從而節省運行費用。

反滲透的核心是通過壓力驅動水分子穿過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垢速率也會隨之增加。而水的結垢是在一定時間內逐步積累產生的，SSDRO技術就利用了結垢時差這一點。根據圖3所示，當反滲透膜因濃水鹽分過高即將結垢時，改變膜殼的進水方向，用低鹽分的干凈水將濃鹽水置換掉，從而防止結垢。

SSDRO技術通過切換水流進水方向，使膜殼內部結垢趨勢較重的濃水側變為進水側，降低濃差極化程度，使結垢趨勢得到緩解。在應用濃鹽水等處理難度較高的廢水時，SSDRO技術可以達到更高的系統回收率。SSDRO技術的運行方式見圖4。

圖4 SSDRO技術的運行方式

SSDRO技術將進水、產水、濃水管道和反滲透膜元件的流水方向由固定不變轉變為智慧切換。通過閥門的開關連鎖配合，一段和二段模塊的進水方向和位置隨運行模式的轉換同步轉換。

2 中試運行數據分析

為了體現SSDRO的技術優勢，新疆某煤化工公司對污水膜系統開展中試實驗。根據現場基本條件模擬同類型運行工況進行中試，進水取自超濾產水池，反滲透膜元件與現場保持一致。設計生產集成一套撬裝設備，設計回收率為88%，穩定運行周期為4個月。

支持單位為南京順水達環保科技有限公司，現場設置一套產水25 m3/h的SSDRO系統。進水選用超濾產水池的水，詳細水質見表1。

表1 原水水質

系統進水質量濃度為2 960～3 623 mg/L，產水質量濃度穩定在37 mg/L，濃水質量濃度為15 369～16 570 mg/L,詳細趨勢見圖5。

圖5 進水、產水、濃水電導趨勢

系統穩定運行4個月后，以回收率65%以上起步調試，待穩定運行3～5 d后逐步提升回收率。最終將系統回收率穩定在88%，脫鹽率維持著99%以上。詳細趨勢見圖6。

圖6 脫鹽率趨勢

對于經濟性，對比常規反滲透和SSDRO系統運行成本進行分析。常規反滲透系統的進水體積流量為28 m3/h，產水體積流量為21 m3/h(即75%回收率)，各項目用量見表2，運行成本分析見表3。

表2 常規反滲透系統各項目用量

表3 常規反滲透系統運行成本分析

SSDRO系統的進水體積流量為28 m3/h，產水體積流量為25 m3/h，各項目用量見表4，運行成本分析見表5。

表4 SSDRO系統各項目用量

表5 SSDRO工藝運行成本分析

根據兩種運行模式成本分析，可知常規反滲透系統合計費用為95.37元，噸水處置費用為4.54元；SSDRO系統合計費用為54.94元，噸水處置費用為2.20元。

SSDRO整體運行費用比常規反滲透顯著減少，噸水處置費用降幅達到48.4%。以某項目膜系統進水體積流量為1 500 m3/h計算，一年(8 000 h)節省費用為2 637萬元。

3 改造效果

本項目設計進水電導≤4 000 μS/cm，設計進水體積流量≥28 m3/h，產水體積流量≥25 m3/h。經過為期4個月的試運行，系統回收率穩定在88%以上，產水電導穩定在36 μS/cm左右。

4 結語

通過SSDRO工藝與傳統反滲透裝置在運行成本、系統回收率、脫鹽率等方面進行綜合對比，證明SSDRO工藝回收率達88%以上時系統可穩定運行，且運行成本低，較傳統反滲透裝置有較大突破。SSDRO工藝對我國水資源緊缺地區應用具有重要意義。