李艳芳
(山西省吕梁市环境科学研究所，山西 吕梁 033000)
引 言
我国能源资源结构特点为“多煤、缺油、少气”。近年来，虽然我国煤炭在一次能源消费中的比例逐步降低，但未来相当长的一段时期，煤炭仍将占据基础能源地位[1]。然而，大规模的煤炭燃烧是我国雾霾产生的重要原因之一。现代煤化工有利于促进煤炭更清洁和高效化开发利用，已成为当前我国能源产业发展的重要领域。但是，能源生产利用的同时又是工业耗水及废水排放的重点领域，对于人均水资源相对匮乏的我国而言，降低其水耗、减少废水排放要求更为迫切。为了不让水问题成为制约现代煤化工产业发展的重要因素，近年来针对其先进节水工艺技术和装备的研发成果越来越多，为新建现代煤化工项目方案设计和具体实施提供了更多选择，极大程度上促进了产业可持续发展[2]。
1 现代煤化工过程水系统及特点分析
1.1 现代煤化工过程水系统
水是工业的血液，任何工业生产都离不开水。在现代煤化工主要反应过程中，气化、变换、部分分离及反应等单元都需要补充水参与反应，需要大量的循环冷却水进行热物料的冷却，且会生成外排工艺废水。可以说，煤化工过程实际也是水系统反应、循环和排放的集成过程[3]。一般情况下，我们把煤化工耗水分为工艺水、循换热水、动力用水、废水(污水)等几大类，如图1所示。
图1 现代煤化工水系统及耗水分类
1.2 现代煤化工过程水耗现状与特点
据相关研究显示，因原料禀赋特征，“十一五”、“十二五”时期建成的现代煤化工示范项目，项目单位水耗普遍较高。随着煤炭深加工示范项目在建成稳定运行后，相关人员在工程用水、水系统优化方面的管理水平逐步提高。
目前现代煤化工过程水耗有如下三大特点：1) 因其反应过程及生产特点，现代煤化工是高耗水行业，但在国民经济贡献方面，其万元工业增加值水耗相对并不高；2) 随着项目单位与研究院所、设计院不断攻关，现代煤化工项目陆续进入优化完善阶段，项目的单位水耗有了大幅度的下降；3) 在国家政策的严格要求下，对煤化工水系统过程进行不断优化开发，在建、拟建项目水耗可进一步下降[4]。
2 现代煤化工含盐废水特性分析
煤化工产生的工艺、工业废水及生活污水等，通过系统水汽蒸发、回用水的再生等途径，形成高含盐废水。这种经过特殊、生化和膜浓缩处理后的含盐废水的处理，是现代煤化工过程水系统优化的关键步骤。近年来，我国政府及相关部门对浓盐水处理要求明显提高，尤其进入“十二五”中后期和“十三五”以来，国家对新的现代煤化工项目基本都是实现废水“零排放”和节水提升。可见，我国对现代煤化工含盐废水处理与回用技术优化的重视程度。
2.1 废水盐分的源解析
随着煤化工用水量的增大以及循环使用倍率的增加，通常废水经过逐级利用、处理，最终产生了大量的浓盐水。煤化工含盐废水成分复杂，多数来源于项目全厂回用系统的反渗透浓水。高浓盐水不仅导致污水处理系统不能正常运行，还会影响水体生态环境和污染地下水，引起土壤盐渍化，同时还会造成金属管道和设备的腐蚀，影响处理设施的寿命。从源头上看，含盐废水中的盐分主要来源于新鲜工业水及不同生产环节，包括除盐水站排水、生产工艺过程废水、废水处理过程废水、循环排污水、回用水系统、及其他废水。
2.2 含盐废水的水质特点
一般来说，煤化工生产过程中，除盐水系统排水TDS浓度为2 500 mg/L～3 500 mg/L，这部分废水硬度较大、盐含量高；煤气化排放工艺废水的TDS浓度在1 000 mg/L～1 500 mg/L，这类废水COD、氨氮、含盐量等污染物的含量较高；循环水场排放废水的TDS浓度约为1 800 mg/L～2 600 mg/L，这类废水CODcr、浊度、含盐量高[5]。
3 煤化工含盐废水处理技术路线分析
据相关研究显示，含盐废水“零排放”是实现煤化工项目废水不外排的关键，虽然当前煤化工浓盐水处理尚处于技术研发和部分示范阶段，但已形成较为成熟的处理模式。
3.1 浓盐水处理工艺技术及特性分析
含盐废水处理一般可以分三个步骤：1) 预处理。此阶段主要通过添加软化剂、絮凝剂、混凝剂等药剂，进行物理及化学除杂，除去水中经过前一阶段浓缩的硬度、COD等易引起结垢等因子，降低水中大部分硬度等，同时协同去除部分COD，降低后续处理工序结垢风险。
2) 深度浓缩。现代煤化工含盐废水经过预处理后，最终会以蒸发结晶的方式实现废水不外排。为了减少蒸发结晶工序的处理负荷，同时为节省费用和提高水资源回用率，在废水“零排放”的要求下，一般在预处理后和蒸发结晶前增加深度浓缩工序。
与海水相比，高盐水成分更为复杂，主要有机物浓度高，目前含盐废水深度浓缩工艺主要包括SWRO、HERO、DTRO/STRO等。其中，近年来海水淡化反渗透膜浓缩(SWRO)工作压力大幅降低至2.5 MPa～4.5 MPa，膜体寿命可达到2年以上，能将1%～2%的高盐水浓缩至6%～7%，回收率可达12%以上，海水利用率可达到到60%。高效反渗透(HERO)是在传统技术工艺参数上的优化创新，可以强化多价离子的深度脱除，有效降低膜污染，同时酸碱适应性较强，且一般废水中的盐可以浓缩到7%左右。DTRO/STRO是用以处理含盐废水的反渗透膜处理的一种技术，加强前序环节的预处理是保证其稳定运行的关键，同时抗污染性能显着好于常规反渗透膜，但由于DTRO的投资和运行成本相对较高，且依然存在反渗透的膜污染问题，一般使用SWRO预浓缩到6%后，再通过DTRO进行再次浓缩至10%～12%。
3) 蒸发浓缩。蒸发结晶过程一般由蒸发、结晶两段组成。在现代煤化工产业中，含盐废水经过膜浓缩后，含盐量进一步增加，因此需要进行蒸发浓缩。
目前，使用较多的有MED和MVR。其中，多效蒸发(MED)是通过具有双侧相变传热的两个或多个蒸汽串联系统，实现多级蒸发的效果。在同样处理条件下，MED传热面积较低，循环量更低，动力消耗也较少。同时，在正常操作情况下，MED操作的灵活性很大，也不会带来产水率的下降。机械蒸汽再压缩蒸发(MVR)将自产的二次蒸汽，吸入压缩机进行压缩，并作为后续蒸发的热源，即在整个蒸发处理过程中，无需新增蒸汽。此工艺不需要配置大型冷却装置，控制系统相对简单，占地面积和公共配套较少，对外界能源的需求也少，工程总投资费用也较低，因此应用较多广泛。
3.2 基于处理回用的含盐废水“零排放”处理
含盐废水如果直接进入蒸发结晶环节，则能耗和投资较高。然而，含盐废水一般富集了脱盐水站、循环水场等多股水流，如果仅追求降低蒸发结晶的能耗和投资，则会导致另一种情况的出现，即不能完全保证和满足预处理、浓盐水处理阶段的膜浓缩设备规模和负荷。因此，为了更好的达到处理回用的含盐废水“零排放”，综合考虑能耗、投资、设备规模和负荷等，目前一般采用“初步处理+浓盐水处理(浓缩)+高浓盐水处理(蒸发结晶)”的方式，主要工艺流程，如图2所示。
图2 基于处理回用的含盐废水“零排放”处理工艺流程
其中，初步处理的废水量一般较大，多采用反渗透处理工艺；初步处理后的浓盐水的水量仍然较大，需要通过HERO、FO、ED、纳滤膜浓缩等进一步的浓缩处理；高浓度盐水不适宜膜浓缩，主要通过MED、MVR和多效闪蒸(MSF)等蒸发结晶。值得注意的是，高浓盐水的蒸发结晶过程具有复杂、投资规模大等特点，已经成为制约现代煤化工废水是否“真正”“零排放”关键。
3.3 基于污水处理的含盐废水“零排放”处理
蒸发塘是大部分现代煤化工项目所采用的一种含盐废水“零排放”处理技术。其中，自然蒸发塘的设计需要综合考虑多个因素，且需要配套防渗防腐措施。在空间布局上，由于含盐废水在经初步处理后，浓缩废水被送到蒸发塘，故一般需要建设调节池以及废水蒸发池、浓缩池和结晶池。机械强制蒸发技术是在传统自然蒸发技术上的改进，可以大幅提高水汽的蒸发速度，进而减少蒸发塘的占地面积。基于污水减排的含盐废水“零排放”处理工艺，如图3所示。
值得注意的是，蒸发塘工艺可以实现废水的“零排放”，但由于后续废水基本全部通过蒸发进入大气，且水资源没有实现充分回收利用，故仍具有一定的环保困境。
图3 基于污水减排的含盐废水“零排放”处理工艺流程
4 结语
综上所述，含盐废水处理及回用是现代煤化工水系统的终端环节，处理一般包括预处理、深度浓缩、蒸发结晶等步骤。通过对我国多地现代煤化工废水零排放技术的实践及文献调研，主要以环保和节水为目标“回收利用”，以及以环保为目标的“污水处理”两种路线为主，在极大程度上促进了产业可持续发展。
然而，目前大部分处理工艺技术尚处于试验示范阶段，且通过对不同含盐废水“零排放”进行的综合对比发现，投资、成本、能耗过高是重要共性制约因素，甚至在很多情况下，煤化工项目含盐废水的处理成本远高于节水的直接效益，影响了企业废水深度处理的积极性。为此，下一步相关人员需要进一步提高对典型煤化工技术的全产业链进行生命周期水耗分析，以为煤化工项目废水零排放及含盐废水处理提供参考。
