叶 飞，李 成，朱德汉，肖 杰，王 涛，刘 林

(1. 国能新疆化工有限公司， 乌鲁木齐 831404； 2. 南京顺水达环保科技有限公司， 南京 210000)

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，涉及煤的焦化、气化、液化等方面。某煤化工项目以煤为原料，每年生产180万t甲醇。在生产和运行过程中自主研发了一套神华MTO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、烯烃分离、C4烯烃转化、低密度聚乙烯/聚丙烯等工序。为了保障系统长期稳定运行，配套了自备电站(包含化水站)、净水场、循环水场、污水处理、储罐区等公用工程、辅助设施及厂外辅助处理工程[1]。

本次项目的中试地址位于新疆乌鲁木齐，由于水资源紧缺，当地煤化工企业对水的利用尤为重视。本煤化工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采用膜处理技术，通过渗透和反渗透的原理将水中的离子分离出来，从而得到高纯度脱盐水，回用于生产补给。

1 膜处理技术

目前国内运用较多的膜技术包括过滤膜(超滤、膜生物反应器、管式微滤)、渗透膜(纳滤、反渗透、正渗透、碟管式反渗透、管网式反渗透膜)、离子膜(均相膜、异相膜、双极膜)[2]，主要运用于煤化工、电厂脱硫废水、矿场废水、电力行业给水、市政给水等场景。本次中试项目为响应国家节水号召，运用了某公司自主研发的智慧反渗透(SSDRO)系统。该技术将常规膜处理系统75%的回收率提高到88%，减少了系统的排水量，降低了浓水的二次处理费用。

1.1 常规反渗透膜技术

1960年美国加利福尼亚大学的洛布与素里拉简发明了一项高新膜分离技术“反渗透膜”，利用一定的压力使溶液中的溶剂经过反渗透膜(或称半渗透膜)分离出来。因为与自然渗透的方向相反，故也称为逆渗透。根据各种物料的不同渗透压，达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。反渗透膜的孔径≤10 Å，可去除水中分子量很小的盐分、胶体、有机物、细菌、病毒、热源等。该技术已广泛用于苦咸水淡化、电子和医药用纯水、饮用水、太空水、海水淡化、中水废水回用等行业。单支膜元件对水中溶解性离子的脱除率达到99%以上，而脱除胶体物质、有机物的能力更是超过其脱盐能力。图1为反渗透原理图[3]。

图1 反渗透原理图

反渗透膜通过半透膜和两侧的压力差来推动运行。用反渗透膜将浓盐水和淡水隔开，淡水会通过反渗透膜向浓盐水渗透。如果在浓盐水中持续施加压力，当大于淡水渗透压力时，浓盐水中的水分子会通过反渗透膜进入淡水，不能通过的盐分则留在浓水侧。反渗透运行过程见图2。

经过长时间反渗透运行后，浓水端的盐分不断提高，不排放会结垢，导致系统瘫痪，所以在反渗透系统运行过程中需设置浓水排放。常规反渗透系统运行方式见图3。

由图3可知，系统进水经过高压泵增压后进入第一段膜壳，产出系统的产水。模块C为一段产出的膜壳浓水，汇总后进入二段膜壳。最终浓水经过调节阀后出水。二段产水则与一段产水汇合后作为系统的总产水进入产水箱。在运行过程中，系统中浓水含盐量逐步提升，导致结垢严重。

假设系统总进水体积流量为100 m3/h，为了保障足够的水量把浓水的盐分冲走，通过调节阀开度，将浓水体积流量控制在25 m3/h，产水体积流量控制在75 m3/h。根据进水水质的不同，如常规地表水、地下水，设置系统回收率为75%，剩下的水作为浓水外排，从而保障系统正常运行。

1.2 SSDRO技术

常规反渗透工艺是在损耗大量产水的前提下运行的[4]。SSDRO技术最初针对高含盐脱盐处理开发研究，目的是提高脱盐系统的回收率，并减少废水的排放量。SSDRO装置，在提高反渗透系统回收率的同时，不仅能减少浓水排放量，而且还能降低结垢倾向，减少系统阻垢剂等药耗量，从而节省运行费用。

反渗透的核心是通过压力驱动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，提高回收率，但渗透压的增大膜元件结垢速率也会随之增加。而水的结垢是在一定时间内逐步积累产生的，SSDRO技术就利用了结垢时差这一点。根据图3所示，当反渗透膜因浓水盐分过高即将结垢时，改变膜壳的进水方向，用低盐分的干净水将浓盐水置换掉，从而防止结垢。

SSDRO技术通过切换水流进水方向，使膜壳内部结垢趋势较重的浓水侧变为进水侧，降低浓差极化程度，使结垢趋势得到缓解。在应用浓盐水等处理难度较高的废水时，SSDRO技术可以达到更高的系统回收率。SSDRO技术的运行方式见图4。

图4 SSDRO技术的运行方式

SSDRO技术将进水、产水、浓水管道和反渗透膜元件的流水方向由固定不变转变为智慧切换。通过阀门的开关连锁配合，一段和二段模块的进水方向和位置随运行模式的转换同步转换。

2 中试运行数据分析

为了体现SSDRO的技术优势，新疆某煤化工公司对污水膜系统开展中试实验。根据现场基本条件模拟同类型运行工况进行中试，进水取自超滤产水池，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，设计回收率为88%，稳定运行周期为4个月。

支持单位为南京顺水达环保科技有限公司，现场设置一套产水25 m3/h的SSDRO系统。进水选用超滤产水池的水，详细水质见表1。

表1 原水水质

系统进水质量浓度为2 960～3 623 mg/L，产水质量浓度稳定在37 mg/L，浓水质量浓度为15 369～16 570 mg/L,详细趋势见图5。

图5 进水、产水、浓水电导趋势

系统稳定运行4个月后，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6。

图6 脱盐率趋势

对于经济性，对比常规反渗透和SSDRO系统运行成本进行分析。常规反渗透系统的进水体积流量为28 m3/h，产水体积流量为21 m3/h(即75%回收率)，各项目用量见表2，运行成本分析见表3。

表2 常规反渗透系统各项目用量

表3 常规反渗透系统运行成本分析

SSDRO系统的进水体积流量为28 m3/h，产水体积流量为25 m3/h，各项目用量见表4，运行成本分析见表5。

表4 SSDRO系统各项目用量

表5 SSDRO工艺运行成本分析

根据两种运行模式成本分析，可知常规反渗透系统合计费用为95.37元，吨水处置费用为4.54元；SSDRO系统合计费用为54.94元，吨水处置费用为2.20元。

SSDRO整体运行费用比常规反渗透显著减少，吨水处置费用降幅达到48.4%。以某项目膜系统进水体积流量为1 500 m3/h计算，一年(8 000 h)节省费用为2 637万元。

3 改造效果

本项目设计进水电导≤4 000 μS/cm，设计进水体积流量≥28 m3/h，产水体积流量≥25 m3/h。经过为期4个月的试运行，系统回收率稳定在88%以上，产水电导稳定在36 μS/cm左右。

4 结语

通过SSDRO工艺与传统反渗透装置在运行成本、系统回收率、脱盐率等方面进行综合对比，证明SSDRO工艺回收率达88%以上时系统可稳定运行，且运行成本低，较传统反渗透装置有较大突破。SSDRO工艺对我国水资源紧缺地区应用具有重要意义。