現代石炭化工は石炭を原料として炭素一化学品とその誘導体を生産する新しい化学工業産業であり、ここ数年急速に発展し、成長してきた大型石炭化工産業でもあります。全国の石炭化工プロジェクトの集中的な建設と発展に伴い、環境と資源に耐えられる能力を基礎とした高効率、低エネルギー、低汚染、低排出の経済発展方式を採ることが、現代石炭化工にとって唯一の持続可能な発展の道です。特に大西北の干ばつが多く雨が少ない地域では、水資源の再利用と環境保護の問題がますます顕著になっている。石炭化工の環境問題は結局発展方式と排出削減の問題だと言えます。石炭化工の環境保護問題を解決するには、まず高塩水の管理と排出の問題を解決しなければなりません。工業廃水の「ほぼゼロ排出」は、現代石炭化工が早急に解決しなければならない重要な問題の一つです。
1高塩水の発生源と特徴です
1.1高塩水源です
現代の石炭化工の塩水の中の塩分は主に循環水から来て、塩水の調製の環節を除いて持ち込んで濃縮することと、工業廃水の処理と再利用の過程の中で添加の各種の薬剤と発生の濃い塩水です。今あるプロジェクトの分析によると、一つの石炭化工プロジェクトが黄河を水源とする新鮮な水を補充して持ち込む塩の量はシステム全体の塩の量の1/2以上を超えています。続いて生産過程と水システムに化学薬品を添加する塩の量が全体の1/3以上を占めています。つまり、水の中の塩分量を減らして節水を図るためには、合理的な循環倍数を定め、薬剤を加えることで実現できますが、最も難しいのは、工業廃水をリサイクルして発生する15~30%の濃い塩水です。
1.2高塩水の特徴です
日常の水質検査結果によると、石炭化工の高塩水は全体的に排出量が大きく、水質の変化が小さく、塩素イオン含有量が高い、水質塩分量が比較的安定していて、普遍的に低いなどの特徴を示しています。その組成は主に有机物と無机塩類で、CODcrは普通60 ~ 120mg/lで、TDSは普通1900 ~ 3000mg/lで、nh3-n含有量は極めて低くて、水体の感観性状は良好で、底が澄んでいて、明らかに異臭がありません。石炭化工の生産工程が異なっているため、排水水質の各指標は少し異なっています。以上の水質の特徴は当企業の実際の状況を表しています。
高塩水処理技術の概要です
石炭化工の高塩水の特徴と処理の需要によって、現段階で一般的に採用されている高塩水処理プロセスは膜分離技術、熱蒸発技術及び二つの技術で形成された組み合わせプロセスの三つに大別されます。
2.1膜分離技術[1,2]です。
膜分離技術は、膜による混合物中の各成分選択透過性の差を利用して、対象物質を分離、精製、濃縮する新しい分離技術です。現在,化学工業や石油工業の分野で広く使われている膜分離技術には,超濾過,微濾過,濾過,透析,逆浸透の5つがあります。脱塩能力の大きさによってそれを初歩的に分けることができて、すなわちマイクロフィルタ<超フィルタ<ナノフィルタ≦電気透析<逆浸透です。
(1)超フィルター、マイクロフィルター、ナノフィルター膜分離技術です
超濾過、微濾過、納濾過は主に気、液相微粒子、細菌及びその他の汚染物質の留留除去に使用して、最小留留分子量は80~1000Dalに達することができます。特に、標準有机物とNaCl、MgSO4、CaCl2溶液の留留率は最高90%で、浮遊物(SS)、ゲルなどの比較的大きな粒子状物質を効果的に除去し、浄化、分離、濃縮の目的を達成します。しかし、以上の技術の脱塩効果は理想的ではありませんが、一般的には、材料液の澄明、セキュリティフィルタ、空気除菌、高分子有机物の分離と純化など。
(2)電気透析と逆浸透膜の分離技術です
電気透析と逆浸透は脱塩技術でよく使われる2つの方法です。前者は電位差を推進力とし、後者は浸透圧を推進力とする膜分離プロセスです。近年では、この2つの技術もさらに改良され、最適化されています。主にEDR技術とHERO技術です。前者は自働的に頻繁に電極を交換する方式を利用して、効果的に装置の持続、安定運行と頻繁な結垢の問題を解決しました。後者はROをPHの高い条件の下で、二段階軟化、脱気処理によって硬度と二酸化炭素を除去して、シリコンの結垢限界を高めて、効果的に生物と有机物の汚堵を制御して、排水の回率(> 90%)を大幅に高めました。EDR技術は電力消費が大きい、処理コストが高い、操作経験が足りない、再使用率が低いなどの理由から、省エネルギー、処理コストが低い、規模が大きい、技術が成熟しているなどの特徴を持つ逆浸透膜分離技術に取って代わられつつあります。逆浸透膜分離技術には膜汚染、詰まり、腐食、短寿命などの問題があり、特に給水TDSが6000mg/lを超えると脱塩率が急激に低下します[3]。
2.2熱蒸発技術です
熱蒸発技術は、主に4%の含塩(品質スコア)またはより高い濃度の塩廃水蒸発濃縮プロセスは、その特徴を主に表示されます:①一般的な物理的な方法を使用して蒸発濃縮、時には化学法(焼却、高級酸化など);②廃水処理量は一般的に大きくなく、小さいものもあります。③処理コストやエネルギー消費が一般的です。④固廃の発生量が大きく、成分が復雑で、有効に回収して再利用することができません。熱蒸発技術は主に多効蒸発、机械圧縮再蒸発、膜蒸留などの技術があります。
(1)多効蒸発(MED)技術多効蒸発は、加熱された塩水を復数の直列の蒸発器で蒸発させ、前の蒸発器から蒸発した蒸気を次の蒸発器の熱源とし、淡水に凝縮します。一般的に循環蒸発器の直列個数(効用数)は3~4個です。工程条件の違いによって、その工程フローは主に併流法、逆流法、平流法、混流法の4つです。廃水処理では、多効蒸発は主に高塩分、高有机物含有廃水の単独処理に適しており、膜技術と併せて全範囲の「ゼロエミッション」プロセスを実現します。
(2)機械的圧縮再蒸発(MVR)技術です。
高エネルギー効率蒸気圧縮机を利用して蒸発システムで発生した二次蒸気を圧縮し、二次蒸気の熱エンタルピーを高め、二次蒸気を蒸発システムに導入して熱源として循環使用します[4]。この技術は大幅に蒸発器の生蒸気の消費量を下げて、補充の生蒸気もシステムの熱損失と出入料温度差の必要な熱エンタルピーの補充のためだけに使用して、省エネルギー効果は十効蒸発システムに相当して、現在国際的に比較的広くて先進的な蒸発器技術です。
(3)膜蒸留(MD)技術です
膜蒸留は蒸気圧差を推進力とする新しい分離技術で、冷側と熱側の相転移過程を通じて混合物の分離または精製を実現します。従来の蒸留法や他の膜分離技術に比べて運転圧力が低く、運転温度が低く、分離効率が高いという利点があり、太陽熱や廃熱、余熱などを熱源として活用することができます。膜下流側の凝縮方式によって、膜蒸留技術は接触式、エアギャップ式、気掃き式及び真空膜蒸留の4つの形式に分けられます[5]。
近年、膜蒸留技術はある程度の発展を遂げてきましたが、膜分離技術と同じ問題があります:膜汚染、垢詰まりなど、応用分野はまだ広くなく、商業化のための技術的難題をさらに解決しなければなりません。
2.3膜分離と熱蒸発の組み合わせ技術です
石炭化工廃水排出に対する国と地方の環境保護政策と要求が絶えず深まるにつれて、高塩水処理のプロセス組み合わせ技術は比較的速い発展と研究を得て、多様化、共同処理が可能な成熟路線に着実に発展しています。この組み合わせ工程の最大の利点は、工程選択性が多く、水質適応性が良く、脱塩規模、水質要求、地理的気候条件、技術と安全性、投資源と管理体制などの実際条件によって異なる処理方法を形成することができます。石灰石軟化、超濾過、逆浸透、熱蒸発の組み合わせ技術を採用しています。その中で、石灰石軟化前処理プロセスはPAM加薬システム、高効率沈殿器、中和池と二次ろ過システムを増加して、塩分の凝集、沈降と分離をさらに高めることができて、そしてある程度のCODcr除去能力を持ちます。超濾過と逆浸透プロセスの組み合わせは現在普遍的に採用した除塩技術で、処理効果は明らかで、運行は比較的安定しています。TDS < 6000mg/lの塩廃水の再処理、再利用に適用して、水の使用率は70%以上に達することができて、膜の使用寿命は3年に達することができます。排出された濃い塩水はDM(バタフライ振動膜)装置でリサイクルできます。膜汚染制御効果が高く、水質適応性が高く、エネルギー消費量が少ないことが最大の利点です。汚水回収率は85%以上です。
3高塩水処理の主な問題点[6]
高塩水処理の問題点はいくつかあります:
1)膜と蒸発システムの汚れと腐食の問題を解決します。
膜と蒸発システムの汚れと腐食を引き起こす主な原因はコロイド物質、微生物および無机塩が膜の表面にそれぞれ堆積、成長、結晶と高濃度塩素イオンと低PH水質によるものです。現在もいくつかの統制手段はとられていますが、こうした問題を根本的に解決する方法は未成熟で、ほとんどが研究段階にあります。
2)技術は生産コストの制御を応用します。
膜分離技術も熱蒸発技術も、高投入、高消費、高エネルギー消費という大きな問題があり、高塩水処理の経済的コストは莫大です。簡単に言うことができて、現在の高塩水の排出を解決する方法は主に比較的多いエネルギーの消耗と引き換えに汚染物質の排出を削減します。そのため、高水処理システムを実際に稼働させるには、そのランニングコストを考えなければなりません。
3)固体廃棄物「三化」(減量化、資源化、無害化)問題の解決です。