煤化工污水零排放技术及工程应用现状分析

摘要：煤化工产业耗水量巨大，产生的废水量也大，水质复杂，污染物浓度高。而煤炭资源丰富的地域，往往既缺水又无环境容量，废水虽然经过处理满足国家的相关排放标准，但由于无排放河流或无环境容量，仍无处可排。水资源和水环境问题已成为制约煤化工产业发展的瓶颈，寻求处理效果更好、工艺稳定性更强、运行费用更低的废水处理技术，实现废水“零排放”，已经成为煤化工发展的自身需求和外在要求。

煤化工产业耗水量大，废水排放量大，污染物浓度高，水资源短缺和环境污染问题限制了煤化工产业的发展。分析了不同的煤气化生产工艺产生的废水水质特征;推荐了不同的煤气化生产工艺产生的废水处理及回用处理工艺。

一、废水“零排放”的意义

煤化工废水“零排放”，即将煤化工生产过程中所产生的废水、污水、清净下水等经过处理后全部回用，对外界不排放废水。废水“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。

二、煤化工污水零排放处理技术

煤化工生产中所产生的废水包括：生产废水、生活污水、清净下水、初期雨水等。生产废水主要来源于气化废水;生活污水主要来源于厂区职工产生的生活污水;清净下水主要来自循环冷却水系统的排污水和脱盐水站的浓盐水;初期雨水主要是受污染区域的前10 min收集雨水。煤化工废水的主体水量是清净下水和生产废水。一般考虑将生产废水、生活污水、初期雨水等进行收集后处理回用，清净下水单独处理后回用。回用水一般考虑作为循环冷却水系统的补充水。

煤气化废水的预处理

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。固定床工艺废水需要进行酚、氨回收预处理，流化床和气流床工艺废水需要进行氨回收预处理。现有固定床工艺废水预处理中，分离氨、酸性气体主要采用汽提手段，而酚主要是通过萃取方法分离。根据汽提设备，又有双塔和单塔工艺之分。双塔工艺典型流程是废水首先通过脱酸塔除去大部分CO2和H2S等酸性气体，然后在萃取塔脱除大部分酚，通过溶剂汽提塔顶回收水中残余溶剂，同时脱除氨。流程操作压力主要为常压。单塔工艺流程是废水在1个加压汽提塔内将CO2、H2S等酸性气体和氨同时脱除，汽提塔出水进入后续的萃取装置脱酚。

图1固定床工艺废水处理工艺流程

2.煤气化废水的生化处理。

(1)固定床工艺废水生化处理。根据固定床工艺煤气化废水的水质特征，应依据以下原则选择废水生化处理工艺：

1)废水中有机物浓度高，m(BOD5)/m(CODCr)值为0.33，可采用生化处理工艺。

2)废水中含有难降解有机物，如单元酚、多元酚等含苯环和杂环类物质，有一定的生物毒性，这些物质在好氧环境下分解较困难，需要在厌氧或兼氧环境下开环和降解。

3)废水中氨氮浓度高，需要选用硝化和反硝化能力均很强的处理工艺。

4)废水中含有浮油、分散油、乳化油和溶解油，溶解油的主要组分为苯酚类的芳香族化合物。乳化油需要采用气浮方式加以去除，溶解性的苯酚类物质需要通过生化、吸附的方法去除。

5)含有毒性抑制物质。废水中含有酚、多元酚、氨氮等毒性抑制物质，需要通过驯化提高微生物的抗毒能力，并选择合适的工艺提高系统的抗冲击能力。

6)非正常废水排放的影响。当工艺生产过程出现问题时，会导致污染物浓度高的非正常废水排放，该废水不能直接进入生化处理系统，需要采取设置事故调节池等措施。

7)废水色度较高，含有一部分带有显色基团的物质。由此，为确保工艺出水水质，废水处理工艺应选用以除油、脱色为主要目的的预处理工艺，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)，选用以物化为主的后处理强化工艺。固定床工艺废水处理工艺流程如图1所示。

(2)流化床及气流床工艺废水生化处理流化床及气流床工艺产生的废水，其CODCr浓度并不高，可生化性较好(尤其是气流床工艺产生的废水)，但是氨氮浓度高，因此，应选择硝化和反硝化效果好的处理工艺。流化床及气流床工艺废水处理工艺流程如图2所示。

图2流化床及气流床工艺废水处理工艺流程

(3)生化处理出水水质不同煤气化工艺产生的废水经生化处理后的水质如表1所示。

表1 生化处理后的出水水质

3.回用水处理工艺选择。

煤化工废水处理站的生化处理出水和清净下水的混合水水量可达到1 000-2 000 m3/h，盐含量不高，一般为1 000-3 000 mg/L。将此混合水除盐后可以作为循环冷却水系统的补充水。目前在我国已经应用的水的除盐方法有离子交换法、膜分离法、蒸馏法以及膜法和离子交换法结合等。混合水若直接采用蒸馏法除盐，需要大量的热能，太浪费能源，不合适;若采用离子交换法，由于废水中仍含有一定的有机污染物，往往会污堵树脂，且由于循环冷却水系统的补充水对水质要求并不高，不宜采用离子交换法;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，而且使用价格也在不断降低，膜的使用越来越普及，推荐回用水处理主体工艺优先采用双膜法(即超滤-反渗透)。根据不同的水质特征对混合水进行预处理，以满足双膜法的进水条件。

4.浓盐水的膜再浓缩处理。

双膜法产品水回用作循环冷却水系统的补充水，同时也产生浓盐水，浓盐水的盐含量约为废水处理站出水与清净下水的混合水的4倍左右，水量为总废水量的1/4左右，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。这就需要对双膜法产生的浓盐水进行进一步处理。若直接将双膜法产生的浓盐水进行蒸发，由于其处理规模较大，需要消耗大量的能源，非常不经济。国内外有不少公司在研究将双膜法产生的浓盐水进行膜再浓缩，使盐度达到5-8万mg/L，即尽可能将废水中盐分提高，减小后续蒸发器的规模，减少投资以及节约能源。目前常用的膜浓缩工艺有HERO膜浓缩工艺、纳滤膜浓缩工艺、OPUS工艺以及震动膜浓缩工艺。

5.膜浓缩废水的蒸发处理。

在将浓盐水中的盐度提高到5-8万mg/L后再进行蒸发，蒸发工艺一般采用机械蒸汽压缩再循环蒸发技术。采用机械压缩再循环蒸发技术处理废水时，蒸发废水所需的热能，主要由蒸汽冷凝和冷凝水冷却时释放或交换的热能所提供。在运行过程中没有潜热的流失，运行过程中所消耗的仅是驱动蒸发器内废水、蒸汽和冷凝水循环和流动的水泵、蒸汽压缩机和控制系统的电能。利用蒸汽作为热能时，蒸发每千克水需消耗热能2.33×106 J。采用机械压缩蒸发技术时，典型的能耗为处理每吨含盐废水用电20~30 kW•h，即蒸发每千克水仅需1.18×105 J或更少的热能。即单一的机械压缩蒸发器的效率，理论上相当于20效的多效蒸发系统。采用多效蒸发技术，可提高效率，但是增加了设备投资和操作的复杂性。蒸发器一般可将废水中的盐含量提高至20%以上。其排放的盐卤水通常被送往蒸发塘进行自然蒸发、结晶，或送至结晶器，结晶干燥成固体，运送堆填区埋放。

总之，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的有机物污染、废水的硬度、结晶、结垢及其对蒸发器的腐蚀等。