廢水近零排放分鹽技術可產(chǎn)出硫酸鈉、氯化鈉進行資源化利用，減少外排固廢量，創(chuàng)造環(huán)境友好煤化工項目。結合中安煤化污水場項目從廢水水質(zhì)特征、分鹽工藝選擇、污染因子、結垢因子、特征因子的控制、長周期穩(wěn)定運行等方面探討了廢水近零排放分質(zhì)結晶技術的工業(yè)化應用。

01 滲排型透水鋪裝徑流控制

1.1 項目背景

中安180萬m3/年煤制烯烴項目是由中國石化和皖北煤電各出資50%建立的煤化工企業(yè)。該項目地處淮河流域，環(huán)境影響敏感，環(huán)評及批復要求本項目污水全部回用不得外排。主要工藝單元有煤氣化、變換、低溫甲醇洗、硫磺回收、甲醇制烯烴(MTO）、聚丙烯(PP)、聚乙烯（PE）等裝置，配套公用工程單元有凈水場、循環(huán)水場、動力站、化水站、凝結水回收單元、配套罐區(qū)、火炬等設施。處理的廢水主要為煤氣化廢水、煤制烯烴排水及下游化工裝置，公用工程單元排水?？傮w設計階段廢水近零排放技術方案采用蒸發(fā)結晶產(chǎn)混鹽方案，2014年基礎設計審查時，業(yè)主首次提出廢水分鹽近零排放思路，減少混鹽作為固體廢物外排量，處理后廢水全部回用至循環(huán)水場或化水站，蒸發(fā)結晶產(chǎn)出硫酸鈉、氯化鈉資源化利用，少量雜鹽外運。當時國內(nèi)廢水近零排放分鹽技術尚處在一個起步階段，國外此類技術需求較少，市場上缺少成熟技術，煤化工廢水直接分鹽近零排放缺少成熟的工業(yè)化應用案例，部分新建和在運煤化工企業(yè)剛剛開始關注廢水近零排放分鹽技術路線。2017年底決定立足自主研發(fā)，組建了由設計單位：中國石化工程建設有限公司（SEI）、研究單位：北京化工研究院和大連石油化工研究院，業(yè)主單位：中安聯(lián)合共同組成的“十條龍科研攻關”課題組，在SEI提出的工藝流程基礎上共同開發(fā)煤化工廢水近零排放分鹽技術，最終形成中石化自有知識產(chǎn)權工藝包，并在中安項目配套污水處理場實現(xiàn)近零排放分鹽技術的工業(yè)化應用。

1.2 主要污水來源及系列劃分

根據(jù)中安項目各裝置排水的水質(zhì)及廢水處理后回用的要求，將污水處理場劃分為生產(chǎn)廢水處理、含鹽廢水處理、清凈廢水處理和高鹽水處理四個系列。

生產(chǎn)污水處理系列設計規(guī)模400 m3/h，來水主要包括煤制甲醇裝置、MTO裝置、PP裝置、LLDPE裝置及輔助設施排出的生產(chǎn)廢水，生活污水及裝置污染區(qū)的初期雨水。該系列廢水含鹽量較低，經(jīng)預處理、生化處理及深度處理后直接回用作循環(huán)水補充水。

含鹽廢水處理系列設計規(guī)模400 m3/h，來水為煤氣化裝置產(chǎn)生的氣化廢水，含鹽量較高，經(jīng)預處理、生化處理、深度處理后排入清凈廢水處理系列。

清凈廢水處理系列設計規(guī)模1 200m3/h，主要處理循環(huán)水排污、化學水站排水和經(jīng)生化處理后的含鹽廢水。該系列廢水含鹽高，有機物和其他污染物濃度較低，經(jīng)軟化澄清、過濾、超濾、反滲透脫鹽處理，回收70%產(chǎn)水，回用作化學水站原水補給水或循環(huán)水補充水，濃水排至高鹽水處理系列。

高鹽水處理系列設計規(guī)模360m3/h，來水為清凈廢水系列反滲透濃水，經(jīng)進一步預處理、膜濃縮、納濾、蒸發(fā)結晶分鹽處理回收大部分水，回用作循環(huán)水補充水，產(chǎn)出硫酸鈉滿足《工業(yè)無水硫酸鈉》（GB/T 6009-2014）Ⅲ類合格品、硫酸鈉質(zhì)量百分數(shù)>92%氯化鈉滿足《工業(yè)鹽》（GB/T 5462-2015）[2]中日曬工業(yè)鹽二級標準，少量雜鹽外運處置。

1.3 各系列流程(見圖1)

02 項目難點

2.1 氣化廢水處理

煤化工企業(yè)排水中氣化廢水處理難度高，水質(zhì)波動大。氣化廢水通常具有高硬度、高氨氮、難降解、部分水質(zhì)存在不可預見性的特點。煤氣化工藝及裝置操作穩(wěn)定性對氣化廢水水質(zhì)影響較大，某項目氣化裝置正常運行時氣化廢水水質(zhì)為氨氮150~400 mg/L，COD 400~900 mg/L，氣化裝置事故工況時氣化廢水COD可達3 000mg/L，氨氮可達1 000mg/L，水質(zhì)波動可持續(xù)近一個月時間。氣化廢水水質(zhì)與氣化工藝、進料煤質(zhì)、配煤方案、操作運行關系較大。設計階段氣化廢水水質(zhì)由氣化裝置工藝專業(yè)通過設計煤種模擬計算，結合設計煤種試燒數(shù)據(jù)給出，項目運行后受煤炭供應影響，運行煤種配煤方案通常與設計煤種存在差異，即便氣化裝置操作正常，氣化廢水實際水質(zhì)與設計水質(zhì)相比仍存在一定的差異。煤種組合的變化及氣化裝置操作運行的變化會使氣化廢水水質(zhì)波動較大。

2.2 近零排放廢水分鹽工藝的選擇及原水水質(zhì)的離子變化

中安項目開展詳細設計時，尚無成熟的廢水分鹽技術，各類新工藝、新技術層出不窮，但均缺少長周期工業(yè)化應用的案例。面對不同的分鹽工藝路線，考驗工程設計單位對新技術的判斷力及工程技術的集成能力，選擇適合本項目的分鹽工藝是中安項目成敗的關鍵。

中安項目地處淮河流域，環(huán)境風險大。淮河冬季徑流量較小，污染物容易富集。本項目用水取自淮河，項目所在地淮河水水質(zhì)豐、枯水期氯離子和硫酸根離子比例對調(diào)，枯水期氯離子∶硫酸根離子約1∶1.5，豐水期氯離子∶硫酸根離子約1.3∶1，原水水質(zhì)的離子變化引起工藝裝置、循環(huán)水場、化水站等單元排水離子含量變化，對分鹽產(chǎn)生不利影響。

2.3 廢水近零排放分鹽系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行

廢水近零排放項目全廠不能外排廢水，污水處理場在煤化工廠任何工況下都要接收上游裝置排水，如果廢水近零排放系統(tǒng)事故停車，整個化工廠都面臨停車退料風險，帶來較大的經(jīng)濟損失和安全隱患。近零排放分鹽系統(tǒng)相比混鹽近零排放系統(tǒng)更缺少成熟穩(wěn)定運行經(jīng)驗。廢水中分出的鹽、硝品質(zhì)存在不確定性。項目組前期對同類煤化工企業(yè)廢水近零排放系統(tǒng)做了大量調(diào)研，煤化工近零排放系統(tǒng)穩(wěn)定性較弱，易受上游工況和水質(zhì)變化干擾，煤化工近零排放項目中氣化廢水處理、膜濃縮系統(tǒng)、蒸發(fā)結晶系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行是整個系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行的關鍵因素。高鹽環(huán)境下（TDS>30 000 mg/L），廢水處理中常用的預處理、生化處理、深度處理工藝是否有效，缺少工業(yè)化應用案例驗證。

03 解決方案

3.1 氣化廢水

中安煤氣化裝置共設置7臺1 500m3/d氣化爐(5用2備)，采用中石化東方爐粉煤氣化工藝，廢水設計排放量正常315m3/h最大375m3/h 設計水質(zhì)COD 500mg/L 氨氮300mg/L 硬度1 333mg/L(以碳酸鈣計)，堿度1 624mg/L(以碳酸鈣計)，CN- 1mg/L,F- 7mg/L。中安項目氣化裝置開車后，由于項目配套煤礦未達產(chǎn)，需從內(nèi)蒙、山西、河南等多地調(diào)煤，以保證氣化裝置連續(xù)生產(chǎn)用煤。項目運行第一年氣化裝置煤種切換17次，氣化裝置進料配煤方案達10余種。每次氣化裝置煤種變化，均會對氣化廢水水質(zhì)產(chǎn)生或多或少的影響。針對氣化廢水水質(zhì)波動較大的特點，中安項目設置了廢水暫存罐區(qū)用于事故工況污水暫存。污水場在氣化廢水來水管道上設置氨氮、COD等在線監(jiān)測儀表，來水水質(zhì)超標時切換至廢水暫存罐儲存，待系統(tǒng)平穩(wěn)后，再回送污水場處理。氣化廢水硬度較高，為保證后續(xù)生化處理效果，氣化廢水先經(jīng)除硬后再送入調(diào)節(jié)罐進入后續(xù)生化處理構筑物。本項目設計氣化廢水水質(zhì)為負硬度水，采用雙堿法軟化澄清工藝除硬。針對本項目氣化廢水氨氮高，有機物難降解的特點，SEI聯(lián)合大連化工研究院，基于茂名石化氣化廢水現(xiàn)場試驗開發(fā)了煤氣化廢水五廊道兩級AO工藝，利用項目自產(chǎn)甲醇作為碳源實現(xiàn)低COD高氨氮廢水的反硝化處理。氣化廢水實際運行水質(zhì)見表1。

從實際運行數(shù)據(jù)可以看出，僅管氣化廢水水質(zhì)波動較大，但COD和氨氮處理效果相對較好，處理后出水氨氮最低可小于1mg/L。實際來水CN-和F-高于設計值，硬度低于設計值，這3個指標的變化均與煤種和配煤方案有較大的關系。CN-的生成與氣化溫度有關，中安氣化爐為粉煤氣化屬于高溫氣化工藝，氣化溫度>1 500℃，碳和氮在高溫下易發(fā)生反應，生成CN-。氣化污水CN-雖高于設計值，但小于10mg/L，如在進生化前采用氧化破氰預處理，氧化劑投加后不一定作用于氰根離子，大概率會與有機污染物反應。考慮到氰根離子未超過10mg/L，項目組采用提高生化系統(tǒng)氰根耐受性的方式處理氰根，通過逐步提高生化池進水CN-，適當加大生化池污泥回流量和硝化液回流量的方法馴化污泥，逐步提高系統(tǒng)對CN-的耐受性，經(jīng)過近3個月的馴化，二沉池出水CN-可穩(wěn)定小于0.5mg/L。氣化廢水中的F-主要與煤里氟的含量有關，由于運行煤種的變化造成F-來水超標，F(xiàn)-對蒸發(fā)結晶系統(tǒng)中的鈦材有一定的腐蝕性，考慮到中安廢水處理流程中并未設置單獨除F-設施，且由于現(xiàn)場占地緊張，無法新增除氟設施，只能利用現(xiàn)有除硬、除硅設施同步除氟。除氟、除硬、除硅的協(xié)同處理首先通過兩家研究單位實驗室研究反應機理，再通過現(xiàn)場調(diào)整操作運行解決。除氟、除硬、除硅最適宜的反應條件及pH均不同，通過實驗室和現(xiàn)場測定，適當調(diào)整反應pH、加藥量對除氟有一定的協(xié)同去除效應。現(xiàn)場根據(jù)研究結論摸索、調(diào)整運行操作，利用現(xiàn)有高鹽水除硬、除硅設施可同步達到30%~50%的除氟效率。系統(tǒng)中氟離子未完全去除，各段出水常年保有一定的氟離子含量，項目運行近2年來，后續(xù)蒸發(fā)結晶系統(tǒng)材料并未出現(xiàn)大面積腐蝕，在整個近零排放系統(tǒng)中F-的腐蝕性可控，見表2。

氣化廢水硬度值好于預期主要與氣化裝置石灰石投加量減少有關，中安氣化裝置設計煤種為淮南朱集西煤，需投加石灰石改變氣化灰熔點，項目投產(chǎn)后配套煤礦未達產(chǎn)，朱集西煤投料量不到一半，石灰石投加量相應減少，硬度值低于設計值，后期隨著配套煤礦達產(chǎn)，氣化廢水硬度也會相應升高。