阐述了煤化工项目水处理现有的一些膜处理技术，列举出常规反渗透的技术特点及不足之处，详细介绍了智慧反渗透的处理工艺及技术特点。将其在某煤化工项目上的中试运行数据与常规反渗透技术进行全面总结、对比，发现智慧反渗透技术具有较高的回收率( ≥87. 5%) ，产水水质稳定，系统运行费用比常规反渗透降低 44%，占地面积小。
关键词:
智慧反渗透; 煤化工中水; 高回收率; 运行成本
1 概 述
煤化工技术是指以产出新的能源和产品为主的煤化学加工转化技术，以洁净煤技术为基础，主要包括煤的焦化、气化、液化等。某煤化工项目主要以煤为原料，每年生产 180 万 t 的甲醇，在生产和运行过程中自主研发了一套 SHMTO 处理技术，可以将甲醇转化为烯烃，进一步生产聚乙烯、聚丙烯等其他化工产品。该项目主要包括煤气化、净化、硫回收、甲醇合成、甲醇制烯烃及烯烃分离、C4 烯烃转化、低密度聚乙烯、聚丙烯等。为了保障系统的长期稳定运行，此外还配套了自备电站( 包含了化水站) 、净水场、循环水场、污水处理场、储罐区等公用工程、辅助设施及厂外辅助处理工程等。
本次项目的中试地址位于新疆乌鲁木齐，由于当地水资源紧缺，对水资源的污染防治以及高效利用尤为重视。国家发展改革委联合九部门印发 《关于推进污水资源化利用的指导意见》，提出了一系列切合我国实际的有力措施，既可提高水资源供给能力，缓解供需矛盾，又可减少水污染，保障水生态安全，对于推进生态文明建设，实现高质量发展具有重要意义。
本煤化工企业对于水的利用尤为重视，在厂区建设有大型脱盐水系统和中水回用处理系统、废水零排放系统。水处理系统的核心处理工艺都采用了膜处理技术，通过渗透和反渗透的原理将水中的离子分离出来从而得到高纯度的脱盐水或回用水用于厂区的生产补给。
2 智慧反渗透膜技术的原理、优点及运行方式
目前国内水处理方面应用较多的几大膜技术有: 过滤膜( 超滤、MBＲ、管式微滤) ，渗透膜( 纳滤、反渗透、正渗透、DTＲO、STＲO) ，离子膜( 均相膜、异相膜、双极膜) 。运用行业主要分布在: 煤化工、电厂脱硫废水、矿场废水、电力行业给水、市政给水以及家庭等行业。在近几年国家颁布的 “十三五规划”、 “水十条”等关于节水、控污的指标再次对水的高效利用提出了更高的要求。本次的中试项目在响应国家节水号召的前提下，运用了某公司自主研发的智慧反渗透系统( SSDＲO) ，将常规膜处理系统 75%的回收率提高到了 88%，减少了系统的排水量，降低了浓水的二次处理费用。
2. 1 常规反渗透膜技术的原理及缺陷
反渗透是 1960 年美国加利福尼亚大学的洛布与素里拉简发明的一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都≤10×10－10( 10A) ，它能去除水中分子量很小的盐分、胶体、有机物、细菌、病毒、热源等，已广泛用于苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用水、太空水、海水淡化、中水废水回用等行业领域的水处理，在生物、医学等科研方面也有使用，图 1 为反渗透原理。
反渗透亦称逆渗透( ＲO) ，是用一定的压力使溶液中的溶剂通过反渗透膜( 或称半透膜) 分离出来。因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。根据各种物料的不同渗透压，就可以使大于渗透压的反渗透法达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。
反渗透系统利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分、胶体、有机物及微生物。反渗透膜的孔径≤10×10－10( 10A) ，单支膜元件对水中溶解性离子的脱除率达到 99%以上，但反渗透膜脱除胶体物质、有机物的能力更是超过其脱盐能力，是其他装置无法比拟的，某些对有机物要求严格的行业专门设置反渗透装置来去除有机物。反渗透膜技术是以半透膜和两侧的压力差来推动运行。用 1 张半渗透膜将浓盐水和淡水隔开，淡水会通过半渗透膜向浓盐水渗透。如果在浓盐水中持续施加压力，当压力大于淡水渗透时的压力。浓盐水中的水分子会通过半渗透膜流入淡水中，不能通过的盐分留在浓水侧，这就是反渗透运行的原理，详见图 2。
反渗透在运行过程中，浓水端的盐分在长时间运行后不断提高，如果不排放必然会使浓水端的盐分累计升高，产生结垢导致系统瘫痪不能运行，所以在反渗透系统运行的过程中会有浓水排放。根据进水水质的不同，常规的地表水、地下水设置系统的回收率在 75%左右，其余 25%的水作为浓水外排，从而保障系统的正常运行。
通过图 3 可知，系统进水经过高压泵增压后，从左侧进入第一段的 2 根膜壳，右侧产水箭头为系统的产品水，增压泵入口为一段的 2 根膜壳浓水，浓水汇总后进入二段的膜壳右侧。最终浓水从左侧出经过调节阀后出水。二段产水则与一段的产水汇合后作为系统的总产水，进入产水箱。由图 3 可以看出，浓水从模块 C 刚开始进水的方向逐渐颜色加深。系统在运行过程中浓水的含盐量逐步提升，最终流向末端的含盐量最高，这个位置的结垢倾向也最严重。
假设系统总进水 100 m3 /h，为了保障有足够的水量把浓水的盐分冲走。一般调节浓阀的开度，将浓水流量控制在 25 m3 /h，产水流量控制在 75 m3 /h。这是行业中普遍运行的调节参数，即回收率控制在 75%左右。
2. 2 智慧反渗透膜技术运行方式及优点
常规反渗透由于系统结垢的问题，浓水需要大水量的冲洗。浓水冲刷量越大，系统的产水量损耗越大。所以常规反渗透的运行是在损耗了大量产水的前提下运行的。智慧反渗透: 最初是专门针对高含盐脱盐处理所开发研究的一项技术，主旨在提高脱盐系统的回收率，减少废水排放量。智慧反渗透装置在提高反渗透系统回收率的同时，减少浓水排放量，还能降低结垢倾向，并且减少系统阻垢剂等药耗量，从而节省运行费用。
图 4 所示为反渗透技术在膜壳内的运行工况。膜外侧箭头所示为系统浓水，进膜箭头所示是系统产水。从图 4 可以看出，水流每经过一根膜壳。产水进入膜内，外面的浓水含盐量逐步提升。直到最后一根膜时，水中的含盐量浓度最高，结垢倾向也最严重。常规的处理方式就是通过不断的过量投加阻垢剂，降低系统的结垢风险。
反渗透的核心是通过压力驱动试水分子穿过反渗透膜，获得可利用的水，渗透压提高可以获得更多的水分子，回收率因此得到提高。而渗透压的增大，膜元件的污堵和结垢速率也会随之严重。而水结垢是循序渐进、在一定时间内逐步积累而产生的现象。智慧反渗透就利用了结垢时差这一点。根据图 3 运行的过程，水流从左侧进入浓水从右侧排出。当最右侧的反渗透膜浓水盐分过高即将结垢时，改变膜壳的进水方向，使左侧第一根进水膜，切换成右侧第一根进水膜。水流从右侧进入浓水从左侧排出。在浓水即将结垢时，用低盐分的干净水将浓盐水置换掉，从而防止结垢。以此类推，当系统再次运行到一定时间，即将发生结垢时。再次切换进水方向将浓盐水置换成低盐分的淡水，以此往复从而达到降低整个系统因浓差极化现象导致膜元件的污堵和结垢; 并且在此基础上获得了较高的回收率。
一般的反渗透工艺随着运行时间的加长，膜表面的浓差极化现象导致膜壳内浓水端结垢趋势严重，这限制了反渗透膜的回收率、清洗周期及运行药品消耗量等性能参数。智慧反渗透技术的应用使得反渗透膜在运行过程中可以切换水流进水方向，使膜壳内部结垢趋势较重的浓水侧变为进水侧，降低浓差极化的程度，从而使得结垢趋势得到缓解，结垢时间得以延长; 所以在应用于浓盐水等较高处理难度废水时，智慧反渗透技术反渗透膜工艺可以达到更高的系统回收率。
通过图 5 可以发现，传统的反渗透系统的进水、产水、浓水管道和反渗透膜元件的流水反向由固定不变转变为智慧切换的方式运行。通过阀门的开关连锁配合，套内比例为2 ∶ 1保持不变，一段和二段模块的进水方向和位置随着运行模式的转换而转换。
3 智慧反渗透膜技术处理煤化工废水中试的结果与讨论
为了体现智慧反渗透的技术优势，新疆某煤化工公司污水膜系统开展智慧反渗透技术研究中试实验，根据现场基本条件模拟同类型运行工况进行中试，反渗透膜元件与现场保持一致。设计生产集成一套撬装设备，设计回收率 88%，稳定运行周期 4 个月该项目水源主要是由煤化工厂区生化尾水、循环水排污、化学水排污汇总而成。原有处理工艺为: 高密池→中和池→V 型滤池→自清洗过滤器→超滤→中间水池→反渗透保安过滤器→反渗透。反渗透浓水进后续零排放系统。设计反渗透回收率为 75%，现运行回收率在 70% ～73%。
现场设置 1 套产水 25 m3 /h 的智慧反渗透中试装置，通过中试运行和现有常规反渗透进行运行数据对比，具体流程设置见图 6。
该中试进水取自中间水池，详细的进水水质见表 1。
智慧反渗透中试系统进水水质电导在 2 960 ～3 623 mg /L，产水电导稳定在 36. 6 ～ 40. 0 mg /L。浓水水质在 15 369～16 570 mg /L，详细趋势见图7。系统稳定运行 6 个月内，开始以回收率 65%以上起步调试，待稳定运行 3～5 d 后逐步提升回收率。最终将系统回收率稳定在 88%，脱盐率维持着 99%以上。详细趋势见图 8。
对于经济性，中试做了详细的统计，针对常规反渗透和智慧反渗透系统运行成本做了对比，常规反渗透系统，总进水量: 28 m3 /h，运行成本分析见表 2。
同样是 28 m3 /h 的进水，采用智慧反渗透系统的运行成本分析见表 3。2 种运行模式成本分析对比见表 4。
根据表 4 经济性分析可以看出，智慧反渗透的整体运行费用比常规反渗透都有显著降低。1 m3水处置费用由 3. 53 元降低到 2. 03 元，降幅达到42%。以某项目膜系统进水量为1 500 m3 /h，年运行8 000 h计算，1 a 节省费用 1 800 万元。
4 结 语
本项目设计进水电导≤4 000 μs/cm，设计进水流量≥28 m3 /h，设计产水流量≥25 m3 /h。经过为期 6 个月的试运行，系统回收率稳定在≥88%，产水电导稳定在 36 μs/cm 左右。
此次智慧反渗透科技创新项目，通过与现有传统反渗透装置在运行成本、系统回收率、脱盐率、运行方式等方面进行综合对比，智慧反渗透的回收率在≥88%的情况下稳定运行，脱盐率稳定，运行成本低，较传统反渗透方面有较大的突破，适合各类处理膜处理新建项目、改造项目应用，尤其在我国水资源紧缺地区应用具有重要意义。
原标题：智慧反渗透技术在煤化工中水回用项目中的中试研究
原作者：叶 飞，李 成
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