反渗透膜分离技术在含磷污水处理中的应用

陈 诚，周 勇，陈启林，廖吉星

（贵阳开磷化肥有限公司，贵州 贵阳 551109）

0 引言

磷化工企业磷石膏库渗滤液主要污染物为总磷和氟，渗滤液不经处理直接外排会对地下水和地表水造成严重污染，不符合国家环保政策以及企业绿色、健康发展要求。贵阳开磷化肥有限公司（以下简称公司）现有湿法磷酸装置产能为60 万t/a，配套建设磷石膏库自2006 年投用以来，磷石膏堆存量已达3 700 余万吨，但在实际运行过程中由于磷石膏堆场位于岩溶地层之上，导致下游乌江34 号泉被污染，对乌江水环境造成严重威胁。

为更好地对乌江34 号泉进行治理，公司制定了“源头治理、中途拦截、末端治理”的思路，从源头对磷石膏库进行整体性覆膜，中段对受污染地下水进行拦截回抽，末端对乌江34 号泉进行处理。其中中途拦截环节，通过数年对磷石膏库下游地区水文地质勘查及工程投入，现已形成抽水能力600 m3/h 以上的地下污水拦截抽水井群。拦截的污水总磷质量浓度为500 ～2 500 mg/L，采用常规的石灰中和法处理，不仅石灰消耗量大、成本高，而且副产石灰渣量大，又产生新的环境问题。为此公司成立专项攻关小组对含磷污水处理及磷资源回收利用新工艺进行探索。

反渗透技术是在正常扩散运动基础上施加外界压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。该工艺较为成熟，在脱盐水制备、海水淡化、重金属废水处理等领域已大规模应用［1］。拟利用反渗透膜分离技术对磷石膏库下游抽取的地下污水进行磷回收利用试验，以验证该工艺在高浓度含磷污水处理中应用的可行性。

1 中试试验情况

1.1 试验水样情况

试验对象为抽水井群拦截的地下污水，待处理水源的水质情况随季节存在较大波动。雨季时ρ（总磷）偏低，为500 ～1 500 mg/L，浊度较高，水样呈淡黄色；旱季时ρ（总磷）较高，为1 500 ～2 500 mg/L，水质清澈，水样电导率约7 800 μS/cm。试验水样还含有氟、硫酸根、钙、镁、钠等其他成分，水质分析数据见表1。

表1 试验水样水质分析数据 mg/L

1.2 试验装置

中试试验主要设备为反渗透膜处理系统，采取两段方式排列，共6支反渗透膜作为试验膜元件，其中第一段为4支膜元件，第二段为2支膜元件。试验装置还配套缓冲槽、供水泵、高压泵、PP 棉过滤器、保安过滤器等设备。其中考虑到井群抽取地下污水复杂情况，采用5 μm的PP棉滤芯及保安过滤器作为反渗透膜分离系统正常运行的保障措施。

1.3 试验小结

整个中试试验分为3个阶段。第一阶段通过“浓水连续回流”、“浓水不回流”、“分步浓缩”等不同的方式进行操作，将水样中的总磷浓缩3 ～10倍，验证反渗透膜分离技术在含磷、氟污水处理中应用的可行性，结果见表2。由表2可知，在运行压力为1.8 MPa、系统回收率为77.3%时，总磷浓缩效果最好，浓缩倍数达到3.95，中试试验期间反渗透膜运行平稳可靠，证明反渗透膜分离工艺处理含磷、氟污水可行。

表2 第一阶段试验结果

第二阶段通过长周期稳定运行探究反渗透膜分离工艺在长周期运行下膜通量、脱盐率衰减情况；同时评价膜的抗老化性和耐酸性，评估膜材料的使用寿命，结果见图1、表3。由图1 可知，从6 月9日至7 月4 日，总处理水量为950 m3，产水流量衰减率为23.6%（产水流量由21.1 L/min 降至16.1 L/min）。中试过程中经化学清洗后，装置通量可恢到最初通量，反渗透膜元件经过约70 d 中试运行，关键指标脱盐率未出现衰减情况，膜元件未出现老化、损伤的情况。

图1 第二阶段试验产水流量情况

表3 第二阶段试验膜组件清洗情况

第三阶段根据企业的全厂水平衡，以及各用水点的需求，论证分步浓缩工艺氟化物和总磷的去除效果，以实现处理后淡水水质达到直接排放或者回用作为脱盐水原料要求，结果见表4。由表4可知，一段、二段反渗透膜系统的产水率分别达到80%、90%，且总产水经检测ρ（总磷）小于0.5 mg/L，ρ（氟）小于10 mg/L，电导率小于50 μS/cm，相关指标达到《磷肥工业水污染物排放标准》（GB 15580—2011）及《石油化工给水排水水质标准》（SH 3099—2000）给水水质要求。

表4 第三阶段处理水质分析结果

2 项目建设

2.1 项目建设工艺优化

在实际生产过程中含磷污水膜法处理过程存在如下问题：①井群抽取地下水泥质及悬浮物较多；②反渗透膜稳定运行条件较为苛刻，易产生不可逆性损坏；③地下水温受季节影响存在波动。为保障含磷污水处理过程稳定运行，在中试试验基础上对相关工艺进行完善，提出“预处理+超滤+两级反渗透”处理工艺，具体流程见图2。

图2 项目建设工艺流程

2.2 技术经济分析

（1）直接收益：反渗透膜处理工艺可将磷石膏堆存过程产生的含磷污水进行浓缩处理，副产的浓水可直接输送至湿法磷酸装置作为洗水利用。以处理能力600 m3/h、污水平均ρ（总磷）2 000 mg/L、年运行时间7 200 h、磷回收率98%、回收过程生产费用按产品价值20%抵扣进行计算，每年回收磷资源产生效益为5 429.93万元。

处理后淡水电导率≤50 μS/cm、w（固）未检出，通过简单的混床树脂塔处理便可达到工业脱盐水相关标准，与公司脱盐水装置原使用电导率450 μS/cm河流取水相比，淡水部分使用后可大幅降低树脂用量及树脂再生药剂消耗量，脱盐水装置运行成本可降低60%以上。以淡水副产量480 m3/h、年运行时间7 200 h、脱盐水生产成本6 元/m3进行计算，可节约费用1 244.16万元。

（2）生产成本：装置装机负荷为2 420 kW，按照功率因素0.85、电费0.5 元/（kW · h）进行计算，年用电费用为740.52万元；年助剂消耗费用为691.53 万元；膜更换维护费用为614.9 万元；人工成本为242万元；折旧费用为624.48万元。年总运行费用为2 913.43万元。

（3）效益分析：装置投用后每年可为公司创造效益3 760.66万元，经济效益十分显著。

3 结语

通过长时间的中试试验，充分验证了反渗透膜分离技术在含磷污水处理应用的可行性。该工艺不仅将污水中磷资源变废为宝，同时可大幅度降低公司现有脱盐水装置运行成本，在实现污水回收处理的同时为公司创造了显著的经济效益，相关经验在同行业类似装置上具有较好的推广价值。