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煤化工废水“零排放”技术

发布时间:2021-2-22 16:02:13  中国污水处理工程网

  煤炭是中国主要的化石能源,新型煤化工产业因此得到快速发展。然而,煤化工产业耗水和排水量大,水资源短缺和环境污染问题限制了中国煤化工产业的发展,“零排放”方案的提出具有重要的现实意义和历史意义。

  一、绪论

  中国的石油、天然气资源短缺,煤炭是中国的主要化石能源,这种能源结构决定了新型煤化工产业的发展,即以煤气化为龙头的煤化工产业,运用催化合成、分离、生物化工等先进的化工技术,生产能够替代石油的洁净能源和各类化工产品,进而满足未来经济发展需求。

  发展新型煤化工企业,煤和水是两大资源要素,煤化工项目耗水量巨大,煤化工产业的快速发展已经引发了区域水资源供需的失衡。同时中国煤炭资源和水资源分布极不均衡。水资源缺乏地区也面临着地表水环境容量有限的问题,大量煤化工废水面临无处可排的困境。煤化工项目废水产生量也很高。该类废水含大量有机污染物。大量建设煤化工项目将会给富煤但缺水的地区带来非常严重的社会问题。水资源和水环境问题已成为制约煤化工产业发展的瓶颈。为促进工业经济与水资源及环境的协调发展,2007年颁布的《国家环境保护“十一五”规划》明确要求在煤炭等重点行业努力实现废水少排放或零排放。既解决了一部分水资源短缺问题,又不对当地的环境和生态造成污染和破坏,对于在建和拟建的煤化工项目,具有极为重要的现实意义和深远的历史意义。

  目前,不少正在建设和规划中的煤化工项目都计划实施废水“零排放”方案,但迄今中国尚无真正做到废水零排放的煤化工企业,煤化工废水零排放也存在着很多问题和技术难点,因此,对现有煤化工废水“零排放”技术进行分析总结至关重要。

  二、煤化工废水分类和水质特征

  煤化工是以煤为原料,经过化学加工,使煤转化为气体、液体、固体燃料以及化学品,并生产出各种化工产品的工业。不同学者对煤化工废水的分类有一定区别,但一般可将现代煤化工企业废水按照含盐量分为两类:一是有机废水,主要包括气化废水、化工装置废水、地面冲洗水、初期雨水及生活污水等,其特点是含盐量低;二是含盐废水,主要来源于生产过程中煤气洗涤废水、循环水系统排水、除盐水系统排水、回用系统浓水等,有时也包括生化处理后的有机废水,其特点是含盐量高。

  三、煤化工废水“零排放”处理技术

  中国已经建成的煤化工废水“零排放”设施的处理技术,基本分为有机废水处理技术和含盐废水处理技术,而含盐废水处理技术又包括低盐废水处理技术、浓盐水处理技术和高浓盐水固化处理技术。其中,有机废水处理基本上采用“预处理(物化处理)+生化处理+深度处理”的三段式处理工艺;低盐废水处理多采用“预处理+双膜法”两段式处理工艺;浓盐水处理多采用“预处理+膜浓缩”处理工艺;高浓盐水固化处理多采用自然蒸发固化或机械蒸发固化处理方式。

  1、有机废水处理

  煤气化产生的废水不经过预处理直接进行生化处理是不可行的,尤其是氨和酚浓度很高的固定床工艺废水。预处理主要目的是去除乳化油和悬浮物(SS)及胶态COD。对于鲁奇气化废水,还要进行酚氨回收。

  煤气化废水的生化处理可根据水质及场地情况选择A/O、A2/O、SBR、氧化沟、膜生物反应器(MBR)等工艺。固定床工艺选用以去除CODCr、BOD5、氨氮等为主体的生化处理工艺(主要考虑硝化和反硝化),气流床选用以物化为主的后处理强化工艺。流化床及气流床工艺产生的废水,应选择硝化和反硝化效果好的处理工艺。

  煤气化废水的深度处理有机废水采用上述处理工艺处理后,经混凝沉淀,基本可以达到国家或地方排放标准,但距离作为循环补充水要求还有一定的差距,需进行深度处理。深度处理段常用工艺主要有臭氧氧化、化学氧化+曝气生物滤池(BAF)+活性炭吸附等工艺。

  2、含盐废水处理

  (1)低盐废水处理

  低盐废水处理普遍釆用的是“预处理+双膜法”两段式处理工艺(即超滤-反渗透)。生化处理出水和清净废水混合之后变成低盐废水,这种水去除盐后可以作为循环冷却水系统的补充水。目前除盐方法很多,但随着膜分离技术和膜生产工艺的提高,膜的使用寿命在不断提高,应用范围越来越广。预处理一般为絮凝沉淀和过滤工艺,主要是进一步去除水中的SS、胶体及COD,为双膜进水提高保障。双膜的主要功能是脱盐,实现废水的回收利用。

  (2)浓盐水处理

  双膜法处理后的水可回用,作为循环冷却水系统的补充水,但同时也产生浓盐水,水量仍然较大,且含有一定量的有机污染物,若不进行处理,仍会对当地环境造成巨大的污染。目前一般采用(预处理+膜浓缩)处理工艺,将浓盐水进行进一步浓缩,使TDS(总含盐量)质量浓度达到50000-80000mg/L,尽可能将废水中盐分提高,减小后续蒸发器的规模,同时减少投资以及节约能源。

  (3)高浓盐水处理

  高浓盐水固化处理是废水“零排放”方案应用和普及的瓶颈,也是当前存在争论最多的地方。含盐废水处理后产生的浓液,也称为高盐废水,含盐量通常高达20%(质量分数)以上。目前,国内外对高浓盐水的处理一般采用自然蒸发固化和机械蒸发固化两种处理方式。其中机械蒸发是利用蒸汽实现盐的结晶。自然蒸发固化是利用太阳能,在自然条件下将高浓盐水逐渐蒸发,实现盐的结晶。经蒸发固化处理后的结晶固体,组分复杂,有害物质浓度高,需作为危险固体废弃物进行处理,不能和锅炉灰渣、气化灰渣等一起混埋。

  四、煤化工废水“零排放”的制约性问题及解决思路

  煤化工废水“零排放”技术在实际工程实践中存在诸多难点。目前中国尚未有一家煤化工企业真正实现废水“零排放”,煤化工废水零排放技术的研究和应用在中国处于起步阶段,在技术、经济、环境影响等方面均存在问题。

  1、技术层面

  (1)存在问题

  煤化工废水零排放的主要技术难点在于煤化工气化工艺有机废水处理和含盐废水处理两个方面。有机废水的主要技术问题是气化废水水质波动大,影响生化处理流程。进而影响后续膜处理效果,最终导致“零排放”目标难以实现。含盐废水处理的核心问题是双膜系统反渗透问题、膜浓缩和蒸发器的污堵和腐蚀性问题。双膜系统中采用的反渗透方法可能导致水质特征不明晰,或者造成反渗透膜污染严重,脱硅难问题。此外,“零排放”目标受到膜浓缩和蒸发器技术的限制,这种技术大部分尚处于设计、建设阶段,目前有少数已建设完毕,均未真正投入运行。膜浓缩和蒸发器技术的限制问题包括有机污染物在膜浓缩中形成污堵,使膜寿命缩短,清洗频繁从而使膜浓缩系统崩溃;废水的硬度会在膜浓缩中升高,易结晶,并在膜浓缩过程中结垢,从而使膜失去浓缩能力;由于硬度会进一步升高,在蒸发器内极易形成结垢,从而使蒸发器失去应有的蒸发功能等,以上这些技术问题都亟需解决。

  (2)解决思路

  首先是针对有机废水水质波动大的问题,须增加对废水中有毒、有味(易挥发)、有色、难降解的物质的定性、定量分析。只有明晰各段水质特征,才能有针对性地开发处理工艺。对含盐废水及浓液的处理应从源头入手,综合考虑整个系统的盐平衡,对废水处理过程中需要投加药剂的各个环节进行工艺和药剂的比选优化,最大限度地减少水系统添加的盐量,降低末端治理的压力,同时研究反渗透浓水中硅的水化学机理,开发高效的同步脱钙、镁、硅技术,优化现有反渗透工艺。解决硅对反渗透膜污染严重且脱硅难的关键问题。总之,相关部门和企业应从环保角度评估各种煤气化技术的优劣,选择可行的节水和废水处理工艺技术,制定相关技术指南与工程规范,针对目前废水零排放的技术工程难点,加大技术投入,推动中国废水零排放技术的发展。

  2、经济层面

  (1)存在问题

  煤化工项目通常投资很大,要实现煤化工废水“零排放”,需要投入大量资金。例如,含盐废水处理过程中,废水的成分复杂,特别是氯离子含量很高,对蒸发器的腐蚀性很强,需要使用强耐腐蚀材料,因而投资很高。此外,废水“零排放”过程产生的结晶固体,需作为危险固废进行安全填埋处理,处理成本较高,含盐废水直接运行成本通常是有机废水处理成本的几倍。高运行成本也是当前制约煤化工废水“零排放”应用和普及的重要因素。

  (2)解决思路

  实现废水“零排放”的经济代价是巨大的。废水零排放是以较多的能源消耗换取污染物的减排,因此,在解决水环境污染的同时,一定要综合考虑由此带来的高能耗和高投资运行成本问题,不要盲目地全部采用“零排放”。应根据项目所在地水资源、水环境容量、能源、自然条件等客观条件综合确定是否需要实施废水“零排放”方案。另一方面,国家应尽快大幅提高水资源和废水排放收费标准,倒逼企业。对于适合废水“零排放”的企业,实施政策鼓励措施。使废水处理与回用变为自觉行动,减少废水排放。

  3、环境层面

  (1)存在问题

  煤化工废水“零排放”方案还存在着巨大的环境问题,例如在含盐废水处理过程中,通过自然蒸发或机械蒸发的方式,得到结晶盐,以固体的形式输出,这其实是把污染物从一种形态转化为另一种形态,并不能彻底消灭污染物。如果处置不当,结晶盐中的可溶性盐类、有机物在雨水淋溶作用下会造成二次污染。同时由于实施“零排放”方案,企业无废水排放口,这部分废水只能在厂内长时间贮存。由于废水量较大,很容易污染当地地下水环境。政府和企业一定要做好“零排放”方案,不能顾此失彼,反而造成更大的环境污染。

  (2)解决思路

  做好“零排放”方案,应立足于不恶化地表水体质量、不污染地下水,将污染限制在可控范围内。综合观之,在水资源丰富的南方地区不宜倡导零排放,北方地区也应因地制宜,区别对待。如果有纳污水体,应尽可能利用自然水体,不宜硬性要求“零排放”,在确实没有纳污水体地区,应该以保护地下水为前提,优先选用能耗、物耗较低的处置方式。合理实施“零排放”方案,达到最优环境效益。

  五、结论

  煤化工废水“零排放”技术的研究与应用在中国处于起步阶段,存在技术、经济、环境层面上的一系列问题。因此,在煤化工废水“零排放”项目中,需要重点考虑和解决的问题主要有膜浓缩和蒸发皿等技术问题、“零排放”项目中的高成本问题及其带来的环境问题,笔者认为从技术层面应明晰水质特征,减少盐的添加,开发有效的脱硅技术,加大技术投入;从经济层面应考虑高能耗和高投资运行成本问题,明确企业是否适合实施废水“零排放”方案,应尽快大幅提高水资源和废水排放收费标准;从环境层面应立足于将污染限制在可控范围内,合理实施“零排放”方案,因地制宜,区别对待,达到最优环境效益。(来源:北京蓝白蓝科技有限公司)

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