煤化工中水回用反滲透膜性能提升及膜組比例設置研究

葉飛,賀飛,肖杰,朱德漢,李成,楊繼廣

(1.國能新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 831404;2.濟寧波塞頓環保技術有限公司,山東 濟寧 272499)

煤化工產業對水資源的消耗比較嚴重,已成為制約煤化工產業發展的重要因素,特別在新疆、內蒙等地區,雖然煤炭資源豐富,但面臨水資源緊張和缺乏納污水體、排污受限的問題,因此項目實施了廢水“零”排放方案,以破解當地水資源和水環境承載力對企業可持續發展的矛盾問題[1]。為了提高水的利用率,近幾年幾乎所有的項目均要求按水的零排放進行設計與改造。反滲透水處理技術已經廣泛應用于零排放項目中作為廢水減量與水回用的核心技術工藝得到廣泛應用。

雖然反滲透膜技術在中水回用中應用廣泛,因煤化工中水水源與水質比較復雜,且水中污染物成分隨不同化工裝置的運行狀況與前污水處理裝置的運行狀況而波動,導致目前煤化工中水回用裝置反滲透系統普遍存在膜污堵嚴重、化學清洗頻繁、膜元件使用壽命短的情況。一些中低含鹽量水質(2 000～4 000 mg/L)的中水回用反滲透裝置,因未設段間增壓泵,在實際運行中發現二段反滲透膜元件回收率大大低于設計值,產水電導遠遠高于設計值,導致裝置整體產水電導下降,膜使用壽命縮短[2]。

本次項目的中試地址位于新疆某大型煤化工企業,該企業廢水零排放項目2015年投用,中水回用膜系統未設計段間增壓泵,實際運行中也遇到上述類似問題。中試裝置水源與現有裝置同一水源,設計進水量40 m3/h,中試裝置反滲透一二段配置比例能調整,一二段之間能選擇采用段間增壓泵增加與不增壓兩種模式,通過中試裝置的實際運行情況,尋求不同運行工況情況下反滲透膜性能提升情況與最佳膜組比例。

1 項目零排放工藝介紹與中試裝置工藝介紹

1.1 中試項目設計水質

設計進水水質如表1。

表1 中試設計進水水質

1.2 現有企業中水回用膜系統處理工藝流程與中試裝置工藝設計

煤化工中水回用膜系統處理工藝為:高密池→V型濾池→自清洗過濾器→超濾→反滲透保安過濾器→反滲透,設計回收率為75%。反滲透產水作為化學脫鹽水車間與循環水系統補水水源,反滲透濃水進零排放系統。系統設有 6×187.5 m3/h 反滲透裝置,其中一套動態備用。目前單套反滲透實際進水量約為230 m3/h,產水量約為170 m3/h,化學清洗周期約為15～20 d,單套反滲透裝置按一級兩段設計,一二段設計膜的數量比例為35∶21(后調整為35∶17,35∶14),每支壓力容器裝6支膜元件[3]。

中試設備進水與現有裝置同一水源,為中水回用系統超濾產水,取自反滲透裝置進水母管。

具體流程設置見圖1與圖2。

圖1 反滲透中試裝置流程設置圖

圖2 反滲透中試裝置工藝流程設計圖

中試裝置共配置7支壓力容器,每支內裝6支反滲透膜元件,反滲透膜元件采用抗污染型號。通過壓力容器進出水管路閥門配置,可實現一、二段壓力容器膜的數量排列比例為:5∶2與4∶2兩種排列比例。

在反滲透一二段之間設置了段間增壓泵,并設有旁路,可實現無段間增壓與段間增壓兩種運行方式。

每支壓力容器均設有取樣閥,用于中試過程中水樣的接取與分析。

中試裝置設有流量、壓力、電導、pH值等儀表,用于數據收集。

2 中試裝置運行方案與數據分析

2.1 中試裝置運行方案與時間安排

為了保證達到中水回用反滲透膜性能提升及膜組比例設置研究項目的目的,通過中試設備的運行取得足夠全面的供研究的現場實際運行數據,設備運行分三個階段實施:第一階段主要研究在無增壓泵的工藝條件下,不同膜組比例情況下,中試裝置反滲透產水水質,主要解決不同膜組排列對反滲透裝置產水品質的影響,具體安排如表2。

表2 中試裝置運行方案與時間安排

2.2 中試裝置運行數據與分析

從圖3～5運行數據可以看出:

圖3 中試裝置總脫鹽率運行曲線

圖4 中試裝置二段脫鹽率運行曲線

圖5 驗證階段中試裝置與系統對照裝置脫鹽率運行曲線

(1)在無段間增壓泵的運行模式下,通過中試數據可以得出,膜組4∶2排列產水水質優于5∶2產水水質。

(2)在有段間增壓泵的運行模式下,通過中試數據可以得出,膜組4∶2排列產水水質優于5∶2產水水質,且產水水質明顯優于無段間泵。

(3)從產水電導的測試數據可以看出,增設段間泵二段脫鹽率提高15%左右。

(4)業主對照裝置2021年末新更換了反滲透膜,剛更換的新反滲透膜脫鹽率在96%左右。從驗證時間階段曲線可以看出,設計段間泵后,中試裝置產水整體脫鹽率高于現有系統設備,特別是二段脫鹽率,中試裝置有了明顯的提高,基本避免了現有運行裝置二段脫鹽率低,且二段反滲透膜產水量低的實際情況。

(5)通過膜組4∶2與5∶2的實際運行數據看,增加一段膜組比例,雖然降低了進水壓力,但是產水電導率有所提高,但化學清洗周期有所縮短。

(6)在中試裝置一段有2支壓力容器內分別填裝2個國產主流品牌的膜元件,其余5支壓力容器內填裝與業主一致的進口品牌膜元件。試驗結果表明,國產品牌反滲透總體上各項性能參數與進口品牌差距不大,其中某國產品牌與進口品牌無明顯差距,據了解其具有近20年的生產歷史,其市場占有率已經連續幾年穩居國內前三,說明未來國產品牌替代進口品牌將是發展趨勢。

3 經濟分析

中試裝置的運行方式、加藥方案基本保持與項目大系統運行設備一致,從中試實際結果看,增設段間增壓泵后,反滲透裝置整體脫鹽率可提高2%左右,二段脫鹽率可提高15%左右,化學清洗周期延長50%以上。按反滲透裝置總體脫鹽率低于94%進行膜更換為標準。經了解,項目業主反滲透膜實際使用壽命約2.5年,新更換膜的初始脫鹽率接近97%,年脫鹽率下降約1.1%,中試設備有段間增壓泵初始脫鹽率接近99%,比不設段間增壓泵提高2%左右,同比條件下,可提高使用壽命80%左右。

有段間增壓泵情況下,化學清洗周期整體延長了30%左右,反滲透膜元件的使用壽命,與化學清洗有直接關系,目前尚無準確科學數據作為參考,本項目暫時按提高膜使用壽命20%計算。

二者合計可提高膜使用壽命100%計算,本項目總計使用膜元件1 872支(按35∶17計),采購價格3 500元/支,則采用增壓泵設置,僅換膜費用年均節約:1 872×3 500/2.5=262.08萬元。

采取段間增壓泵后,反滲透裝置初始出水水質脫鹽率提高了2%左右,大大改善了后續用水用戶循環水與化水車間的用水水質,因水質提高造成的用戶潛在節約費用也是非常大的,不再詳細核算。

4 結論

中試設備經過為期5個月的運行系統,在增設段間增壓泵的情況下,反滲透裝置整體產水脫鹽率可提高2%左右,其中二段產水脫鹽率可提高15%左右,化學清洗周期延長30%以上。

市場上主流膜生產商均有設計軟件向設計單位、工程公司提供膜系統設計參考,但對于設計段間泵的條件并未給出具體參考指標。對于煤化工中水回用水質,因反滲透裝置易發生污堵的客觀現實情況,運行中反滲透裝置內膜元件實際運行工況已經與設計軟件模擬的工況發生偏離。經了解,類似中試業主煤化工中水回用反滲透系統不設段間增壓泵的情況不是個例,同樣碰到類似的問題。建議在煤化工中水回用膜系統中,對于含鹽量在1 500～2 500 mg/L中水水質,考慮設計段間增壓泵,含鹽量越高,增設段間增壓泵的效果越明顯。

反滲透技術在煤化工水的零排放項目中得到越來越廣泛的應用,但是反滲透膜在如此復雜的水處理項目上大規模的應用上也是近幾年才開始的,在實際運行過程中各項目都或多或少碰到各種問題。希望本文中對于類似項目反滲透系統設計的建議能夠為以后膜行業技術人員與工程設計人員提供有益的幫助。