多效蒸发技术在高浓高盐废水处理中的应用
1．0 引言
随着化工、制药、造纸等行业的发展，高浓度难降解废水一直是废水处理的难点。近年来，零排放及污水回用等生产理念的推广，对污水处理及深度提出进一步要求。传统的物化、生物处理方法处理高浓度难降解废水时，处理工艺冗长且复杂。另外，对于高盐度废水，因微生物而不能生存而使生物处理法收到限制，或者需要引进大量淡水进行吸收达到微生物可以耐受的限制后，采用生物处理。近几年来，在高浓度及/或高盐度废水处理领域，蒸发技术开始逐渐受到关注，为长久以来困扰着环保工作者的难题找到了一个可探索、证实的答案，并已有一定应用。本文结合笔者工作经验及相关文献报道，对蒸发在工业废水处理的发展及应用做简要介绍。
采用蒸发技术处理高浓度废水主要利用水（溶剂）与污染物（溶质）之间的沸点差异，通过控制废水在一定温度、气压下发生表面或内部的气化，将溶剂与溶质分离的过程。经过蒸发，沸点高的污染物被留在蒸发残液中，而低沸点的水将以冷凝液形式排出。根据蒸发的原理，只有当污染物与水沸点差异比较大时，才会有较好的分离效果。否则，污染物会直接蒸发成为冷凝液的一部分，或者与水产生共沸而进入冷凝液，而导致出水COD升高。因此，对于特定废水需采用合适的冷凝水处理工艺，使污水处理系统出水达到要求。
目前废水处理中已有应用的蒸发设备有多效蒸发器及机械压缩蒸发器。结合笔者的工作，本文就多效蒸发加以叙述。
2．0 多效蒸发
2．1 多效蒸发原理
目前蒸发器的种类很多，就其蒸汽利用角度而言，蒸发可分为一效至五效[1,2]。在工业生产中，为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发。多效蒸发将多组蒸发器串联起来，除第一效蒸发采用厂区新鲜蒸汽为热源，之后的每一效蒸发利用前一级产生的二次蒸汽为热源进行加热，因此，多效蒸发明显降低了加热蒸汽的消耗量。另外，除最后一效蒸发器，每一级蒸发产生的二次蒸汽在后一级加热室中作为热源利用后将成为冷凝水排出，从而大大减少了冷却水的消耗。
表1多效蒸发的蒸汽及冷却水消耗[1]
| 单效 | 双效 | 三效 | 四效 | 五效 | |
| 蒸汽(kg/kg) | 1.1 | 0.57 | 0.4 | 0.3 | 0.27 |
| 冷却水(kg/kg) | 13.5 | 6.75 | 4.5 | 3.88 | 2.7 |
由表1看出，随着多效蒸发级数的增加，处理单位废水所需的蒸汽量及冷凝水量递减。然而，随着蒸发效数的增加公用消耗的减少程度逐渐趋缓，如图1所示。当蒸发级数大于三效时，新鲜蒸汽及冷却水用量的减少量明显降低。
在设计多效蒸发器时，不仅需要考虑降低系统能耗，还需考虑设备投资及温差限制的因素。在废水处理中，尤其当多效蒸发系统应用于氯离子含量较高的废水浓缩时，对设备材质的要求会较高。在需要保证一定使用年限的前提下，对于特定废水蒸发设备甚至需要用到钛材。因此，在采用考虑设计多效蒸发时，需考虑设备投资的经济性对蒸发级数的影响。另外，由于装置总温差是一定的，各单效的有效温差比总温差小很多，从而导致相同总温差下，多效蒸发的生产力要低于单效蒸发器。
相关文献表明，在目前废水处理领域中，三效蒸发应用较多。
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图1处理单位废水蒸汽及冷却水消耗与蒸发效数的关系
2．2 多效蒸发在废水处理中的应用
在废水处理中，多效蒸发被用来浓缩工业废水回收有价值的成分，或者得到洁净的冷凝水用以回用。然而在实际应用中，冷凝水中常带有低沸点组分的有机污染物，为达标排放通常在多效蒸发后设计生化工艺来进一步去除水中的有机物。
2.2.1 用于高盐废水预处理
笔者在工作中曾参与高含盐表面活性剂废水处理的设计。该废水水量小，CODcr约5000~6000mg/L，TDS含量高达30000mg/L，很显然微生物很难在该高盐环境下正常生长。初步论证后，采用蒸发+生化为主的工艺处理该废水。蒸发后几乎所有盐分将留在蒸发浓液中，而大部分冷凝水排出蒸发系统进一步处理后回用。通过小试发现，废水蒸发浓缩至10%时，冷凝水中的CODcr降至600~800mg/L，浓液TDS含量约30%。在设计过程中，采用较为经济、节能的三效蒸发处理原水。蒸发器的一效、二效采用降膜换热器，获得较高的换热效率，而第三效加热室则采用强制循环换热器，以克服由被加热介质高浓度而引起的设备结垢等问题。蒸发系统的冷凝液经换热后（低于32℃），排入MBR池进一步降解，由于进入冷凝液中的有机物大多为低分子易降解有机物，MBR出水经过NaCl消毒可达到城市杂用水回用标准。另外，为确保进蒸发系统的SS及CODcr控制在一定范围内以免设备结垢及传热效率受到抑制，在蒸发前还设置了混凝/絮凝-板框过滤对蒸发进水进行预处理。系统处理流程如图2所示。
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图2三效蒸发-生化处理高盐表面活性剂废水流程
方丽萍等人[4]采用三效蒸发+生化的组合工艺处理甲硝唑工业废水，出水水质达到《污水综合排放标准》一级排放标准的要求。该工艺首先采用多效蒸发去除废水中大部分盐分和对微生物有毒且难降解的有机物。之后采用氨吹脱去除冷凝水中游离氨，水解酸化+A/O去除有机物。
曹红等人[9]采用三效蒸发预处理高含盐且CODcr高达几十万的农药废水，不仅有效的去除了废水中的盐分，还去除了部分有毒难降解CODcr，为后续生化处理奠定基础。
杭州升蓝环保设备科技有限公司[2]在07年就已经将三效蒸发用于高浓度废水综合治理。对乙酰氨基酚医药生产废水采用三效蒸发技术处理，CODcr去除去率99.95，CODcr由30g/L降低至0.15g/L，对乙酰氨基酚回收率达98%。含盐量很高的化工染料及中间体生产废水采用双相不锈钢及SS316L为材质的三效蒸发器进行浓缩处理，盐分去除率达98%~99%，出水CODcr在1000mg/L以下，为后续处理创造有利条件。多效蒸发用于垃圾渗沥液处理，出水达到排放标准，而成分复杂、毒性高、含盐量高的母液则采用水泥或沥青固化处理。
郗金娥等人[10]利用二效蒸发系统回收医药中间体废水中的钠盐。蒸发出的冷凝水经过臭氧预处理后与洗涤废水、生活污水混合进入厌氧-好氧生化处理系统及后续高级氧化系统，最终出水达标排放。
徐鹏等人[11]采用蒸发-UASB-SBR工艺处理制药废水，当进水CODcr、盐浓度分别为15000~20000mg/L、40~90mg/L，出水达到《化学合成类制药工业水污染排放标准》的要求。
2.2.2 用于分离、浓缩或回收无机盐
于永辉等人[3]利用四效蒸发器处理高盐高硬度稠油废水，淡水产率为70%时，蒸发器出水总硬度0.1mg/L，SS为1.1mg/L，油含量0.2mg/L，TDS含量20mg/L，达到热采锅炉用水水质标准。根据稠油污水特点，在多效蒸发器前设计预处理单元除去污水中的油及悬浮物，防止多效蒸发器和换热器污染、堵塞。预处理单元依次为斜板气浮，核桃壳过滤器，砂滤器。
郑贤助等人[5]采用两效蒸发回收羧甲基纤维素钠(CMC)生产废水中的氯化钠及羟基乙酸钠，同时获得95%的CODcr去除率。郑等人采用分步蒸发，分别在两次蒸发中回收氯化钠及羟基乙酸钠。第一次对氯化钠的回收效率达到85%，晶体纯度较高；第二次蒸发采用的是第一次蒸发离心后的盐母液，回收的羟基乙酸钠可外卖提纯。
朱寿川[6]报道了还原-中和-沉淀预处理+四效蒸发工艺处理沉钒废水，系统出水达到综合排放标准一级要求。其中，预处理工艺对废水中六价铬及五价钒的去处理均达98%以上，蒸发浓缩后的硫酸盐渣中Na2SO4含量达到70%以上，可作为生产原料。
续京等人[7]对马铃薯淀粉废水进行预处理后，采用四效蒸发回收洁净的冷凝液用于生产线回用，而母液则作为有机肥处置。
赵斌等人[8]采用三效错流降膜及蒸汽喷射热泵的工艺浓缩氯化铵废水，不仅回收了氯化铵晶体，还从根本上解决了氯化铵工业废水对环境造成的氨氮污染。该蒸发工艺引进了蒸汽喷射式热泵，利用高压生蒸汽将一效蒸发产生的二次蒸汽压缩后，将低品位的二次蒸汽变为高品位蒸汽对一效蒸发器进行加热，进一步降低系统能耗。
2．3 多效蒸发系统运行
2.3.1 结垢防治
工业废水通常成分复杂，对于高浓度有机废水更是如此。因此，在利用多效蒸发处理高浓度有机废水时需进行预处理，主要需去除水中悬浮物(SS)及浮油。于永辉等人[3]的研究发现，当多效蒸发进水SS及油含量低于5mg/L时，运行一个半月后换热管上没有出现明显污染，而等于5mg/L时，运行72小时即出现轻微污染。另外，根据水质情况，可以在进入蒸发器前投加一定量的阻垢剂以抑制换热设备表面污染的形成。
笔者工作中多效蒸发的最后一级换热器设计为强制循环式换热器。多效蒸发最后一级换热器中的液体浓度是最高的，此时溶液晶体容易析出，较易形成垢层。采用强制循环蒸发器，在换热管表面形成较高的液体流速，以减少晶体沉积的概率。
2.3.2 消泡
一些废水在蒸发分离室/罐中易起泡而导致蒸发冷凝水中携带较多的污染物。当分离室中的泡沫达到一定高度，泡沫中携带的重组分有机物或盐类，易被蒸汽带出分离室而最终进入冷凝水中。通常对于起泡的废水投加消泡剂来消除泡沫的影响。然而，笔者实验过程中发现，对于特定废水，蒸发过程中投加酸控制分离室中的废水pH不小于7，可有效控制起泡。
2.3.4 液膜破裂防治
研究发现，降膜换热器内液膜常发生破裂，尤其已在加热壁面下部形成赶去并出现结垢（结晶），导致局部温度急剧上升而过热或烧毁，从而限制了降膜蒸发器在高盐有机废水方面的应用。赵贤广等人[12]研究了降膜蒸发过程中液膜破裂的规律，并采用50mg/L的表面活性剂2-乙基己醇，有效控制了液膜的破裂。
2.3.5 能耗
为有效降低蒸发能耗，杨洛鹏[13]提出了将水平管低温多效蒸发技术应用于废水处理。通过将多效水平管降膜蒸发器和成熟的竖管降膜蒸发器耦合，能够在混合式废水蒸发器中实现对热量的分级利用，废水蒸发的能耗得到了大幅度降低。多效水平管降膜蒸发器增加了废水蒸发的投资成本，但在运行费用上具有很大优势。
3 结论
综上所述，对于高浓度、高含盐化工废水，尤其是含有有毒难降解物质的工业废水，多效蒸发技术正在污水处理领域逐渐受到关注，并可有效应用于生化难以处理的废水上，或作为生化预处理，与传统的高浓度有机废水长流程处理系统相比有一定优势。另外，多效蒸发还可以作为浓缩手段，回收废水中有价值的盐。
参考文献：
[1]刘彩娟，王志芳.双效降膜热泵顺流蒸发在氯化铵废水中的应用.石油和化工设备，2008.
[2]杨家村.应用高效三效蒸发技术处理高浓度废水.环境卫生工程，2007.
[3]于永辉，孙承林等.稠油污水低温多效蒸发深度处理回用热采锅炉中试研究.水处理技术，2010.
[4]方丽萍，莫文艳等.多效蒸发-生化组合工艺处理甲硝唑工业废水.现代化工，2010.
[5]郑贤助，戴艳等.高浓度含盐化工废水蒸发脱盐回收处理的试验研究.污染防治技术，2009.
[6]朱寿川.还原—中和+蒸发浓缩工艺处理沉钒废水的工程应用.工业水处理，2009.
[7]续京，李宏燕等.马铃薯淀粉废水循环利用蒸发设备工艺设计.安徽农业科学，2010.
[8]赵斌，张少峰等.三效错流降膜真空蒸发低浓度氯化铵废水工艺.无机盐工业，2006.
[9]曹红，郭栋等.三效蒸发－气浮－三维电解－兼氧－好氧－混凝对农药废水处理的研究.水处理技术，2010.
[10]郗金娥，王建中.蒸发／UASB／生化／高级氧化处理高盐难生化制药废水.水处理技术，2010.
[11]徐鹏，何争光等.蒸发结晶－UASB－SBR工艺处理制药废水.工业用水与废水，2011.
[12]赵贤广，李武等.高含盐废水降膜蒸发过程中液膜破裂的抑制.环境工程学报，2011.
[13]杨洛鹏.水平管低温多效蒸发技术在废水蒸发中的应用.中国科技论文在线，2010.
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