反滲透膜分離技術(shù)在含磷污水處理中的應(yīng)用

陳 誠，周 勇，陳啟林，廖吉星

（貴陽開磷化肥有限公司，貴州 貴陽 551109）

0 引言

磷化工企業(yè)磷石膏庫滲濾液主要污染物為總磷和氟，滲濾液不經(jīng)處理直接外排會(huì)對(duì)地下水和地表水造成嚴(yán)重污染，不符合國家環(huán)保政策以及企業(yè)綠色、健康發(fā)展要求。貴陽開磷化肥有限公司（以下簡稱公司）現(xiàn)有濕法磷酸裝置產(chǎn)能為60 萬t/a，配套建設(shè)磷石膏庫自2006 年投用以來，磷石膏堆存量已達(dá)3 700 余萬噸，但在實(shí)際運(yùn)行過程中由于磷石膏堆場(chǎng)位于巖溶地層之上，導(dǎo)致下游烏江34 號(hào)泉被污染，對(duì)烏江水環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。

為更好地對(duì)烏江34 號(hào)泉進(jìn)行治理，公司制定了“源頭治理、中途攔截、末端治理”的思路，從源頭對(duì)磷石膏庫進(jìn)行整體性覆膜，中段對(duì)受污染地下水進(jìn)行攔截回抽，末端對(duì)烏江34 號(hào)泉進(jìn)行處理。其中中途攔截環(huán)節(jié)，通過數(shù)年對(duì)磷石膏庫下游地區(qū)水文地質(zhì)勘查及工程投入，現(xiàn)已形成抽水能力600 m3/h 以上的地下污水?dāng)r截抽水井群。攔截的污水總磷質(zhì)量濃度為500 ～2 500 mg/L，采用常規(guī)的石灰中和法處理，不僅石灰消耗量大、成本高，而且副產(chǎn)石灰渣量大，又產(chǎn)生新的環(huán)境問題。為此公司成立專項(xiàng)攻關(guān)小組對(duì)含磷污水處理及磷資源回收利用新工藝進(jìn)行探索。

反滲透技術(shù)是在正常擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上施加外界壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。該工藝較為成熟，在脫鹽水制備、海水淡化、重金屬廢水處理等領(lǐng)域已大規(guī)模應(yīng)用［1］。擬利用反滲透膜分離技術(shù)對(duì)磷石膏庫下游抽取的地下污水進(jìn)行磷回收利用試驗(yàn)，以驗(yàn)證該工藝在高濃度含磷污水處理中應(yīng)用的可行性。

1 中試試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)水樣情況

試驗(yàn)對(duì)象為抽水井群攔截的地下污水，待處理水源的水質(zhì)情況隨季節(jié)存在較大波動(dòng)。雨季時(shí)ρ（總磷）偏低，為500 ～1 500 mg/L，濁度較高，水樣呈淡黃色；旱季時(shí)ρ（總磷）較高，為1 500 ～2 500 mg/L，水質(zhì)清澈，水樣電導(dǎo)率約7 800 μS/cm。試驗(yàn)水樣還含有氟、硫酸根、鈣、鎂、鈉等其他成分，水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)水樣水質(zhì)分析數(shù)據(jù) mg/L

1.2 試驗(yàn)裝置

中試試驗(yàn)主要設(shè)備為反滲透膜處理系統(tǒng)，采取兩段方式排列，共6支反滲透膜作為試驗(yàn)?zāi)ぴ?，其中第一段?支膜元件，第二段為2支膜元件。試驗(yàn)裝置還配套緩沖槽、供水泵、高壓泵、PP 棉過濾器、保安過濾器等設(shè)備。其中考慮到井群抽取地下污水復(fù)雜情況，采用5 μm的PP棉濾芯及保安過濾器作為反滲透膜分離系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障措施。

1.3 試驗(yàn)小結(jié)

整個(gè)中試試驗(yàn)分為3個(gè)階段。第一階段通過“濃水連續(xù)回流”、“濃水不回流”、“分步濃縮”等不同的方式進(jìn)行操作，將水樣中的總磷濃縮3 ～10倍，驗(yàn)證反滲透膜分離技術(shù)在含磷、氟污水處理中應(yīng)用的可行性，結(jié)果見表2。由表2可知，在運(yùn)行壓力為1.8 MPa、系統(tǒng)回收率為77.3%時(shí)，總磷濃縮效果最好，濃縮倍數(shù)達(dá)到3.95，中試試驗(yàn)期間反滲透膜運(yùn)行平穩(wěn)可靠，證明反滲透膜分離工藝處理含磷、氟污水可行。

表2 第一階段試驗(yàn)結(jié)果

第二階段通過長周期穩(wěn)定運(yùn)行探究反滲透膜分離工藝在長周期運(yùn)行下膜通量、脫鹽率衰減情況；同時(shí)評(píng)價(jià)膜的抗老化性和耐酸性，評(píng)估膜材料的使用壽命，結(jié)果見圖1、表3。由圖1 可知，從6 月9日至7 月4 日，總處理水量為950 m3，產(chǎn)水流量衰減率為23.6%（產(chǎn)水流量由21.1 L/min 降至16.1 L/min）。中試過程中經(jīng)化學(xué)清洗后，裝置通量可恢到最初通量，反滲透膜元件經(jīng)過約70 d 中試運(yùn)行，關(guān)鍵指標(biāo)脫鹽率未出現(xiàn)衰減情況，膜元件未出現(xiàn)老化、損傷的情況。

圖1 第二階段試驗(yàn)產(chǎn)水流量情況

表3 第二階段試驗(yàn)?zāi)そM件清洗情況

第三階段根據(jù)企業(yè)的全廠水平衡，以及各用水點(diǎn)的需求，論證分步濃縮工藝氟化物和總磷的去除效果，以實(shí)現(xiàn)處理后淡水水質(zhì)達(dá)到直接排放或者回用作為脫鹽水原料要求，結(jié)果見表4。由表4可知，一段、二段反滲透膜系統(tǒng)的產(chǎn)水率分別達(dá)到80%、90%，且總產(chǎn)水經(jīng)檢測(cè)ρ（總磷）小于0.5 mg/L，ρ（氟）小于10 mg/L，電導(dǎo)率小于50 μS/cm，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到《磷肥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15580—2011）及《石油化工給水排水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（SH 3099—2000）給水水質(zhì)要求。

表4 第三階段處理水質(zhì)分析結(jié)果

2 項(xiàng)目建設(shè)

2.1 項(xiàng)目建設(shè)工藝優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)過程中含磷污水膜法處理過程存在如下問題：①井群抽取地下水泥質(zhì)及懸浮物較多；②反滲透膜穩(wěn)定運(yùn)行條件較為苛刻，易產(chǎn)生不可逆性損壞；③地下水溫受季節(jié)影響存在波動(dòng)。為保障含磷污水處理過程穩(wěn)定運(yùn)行，在中試試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行完善，提出“預(yù)處理+超濾+兩級(jí)反滲透”處理工藝，具體流程見圖2。

圖2 項(xiàng)目建設(shè)工藝流程

2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

（1）直接收益：反滲透膜處理工藝可將磷石膏堆存過程產(chǎn)生的含磷污水進(jìn)行濃縮處理，副產(chǎn)的濃水可直接輸送至濕法磷酸裝置作為洗水利用。以處理能力600 m3/h、污水平均ρ（總磷）2 000 mg/L、年運(yùn)行時(shí)間7 200 h、磷回收率98%、回收過程生產(chǎn)費(fèi)用按產(chǎn)品價(jià)值20%抵扣進(jìn)行計(jì)算，每年回收磷資源產(chǎn)生效益為5 429.93萬元。

處理后淡水電導(dǎo)率≤50 μS/cm、w（固）未檢出，通過簡單的混床樹脂塔處理便可達(dá)到工業(yè)脫鹽水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，與公司脫鹽水裝置原使用電導(dǎo)率450 μS/cm河流取水相比，淡水部分使用后可大幅降低樹脂用量及樹脂再生藥劑消耗量，脫鹽水裝置運(yùn)行成本可降低60%以上。以淡水副產(chǎn)量480 m3/h、年運(yùn)行時(shí)間7 200 h、脫鹽水生產(chǎn)成本6 元/m3進(jìn)行計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用1 244.16萬元。

（2）生產(chǎn)成本：裝置裝機(jī)負(fù)荷為2 420 kW，按照功率因素0.85、電費(fèi)0.5 元/（kW · h）進(jìn)行計(jì)算，年用電費(fèi)用為740.52萬元；年助劑消耗費(fèi)用為691.53 萬元；膜更換維護(hù)費(fèi)用為614.9 萬元；人工成本為242萬元；折舊費(fèi)用為624.48萬元。年總運(yùn)行費(fèi)用為2 913.43萬元。

（3）效益分析：裝置投用后每年可為公司創(chuàng)造效益3 760.66萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

3 結(jié)語

通過長時(shí)間的中試試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了反滲透膜分離技術(shù)在含磷污水處理應(yīng)用的可行性。該工藝不僅將污水中磷資源變廢為寶，同時(shí)可大幅度降低公司現(xiàn)有脫鹽水裝置運(yùn)行成本，在實(shí)現(xiàn)污水回收處理的同時(shí)為公司創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)在同行業(yè)類似裝置上具有較好的推廣價(jià)值。