基于MVR技術(shù)的高濃度乳化廢水處理研究

葉興剛

摘 要： 本文就MVR技術(shù)在汽車行業(yè)的高濃度乳化廢水處理工藝進行了介紹，并就常見的幾種廢水類型開展了中試試驗，對比了去除效率（%）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、磷酸鹽（以P計）、進料量（M）、單位耗能（Q）、壓縮比ε等指標隨MVR運行時間（T）的變化關(guān)系，結(jié)果表明：乳化液廢水的單獨處理效率較高（>99.5%）、耗能較低，且排放濃液更加均一穩(wěn)定，但由于入口濃度高達100000mg/L以上，出水濃度也較高，需要加設(shè)后續(xù)處理設(shè)施。

關(guān)鍵詞： MVR 乳化廢水；化學(xué)需氧量；壓縮比；單位能耗

中圖分類號： X76 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-8153（2016）01-0100-07

1 引言

MVR（mechanical vapor recompression）蒸發(fā)濃縮技術(shù)是基于MVR蒸發(fā)器原理實現(xiàn)能源得以充分利用的一種高效蒸發(fā)技術(shù)。它利用高能效蒸汽壓縮機壓縮蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，提高二次蒸汽的壓力和溫度，被提高熱能的二次蒸汽打入蒸發(fā)室對擬蒸發(fā)物料再進行加熱，通過蒸發(fā)器自循環(huán)來達到利用二次蒸汽已有的熱能而不外加新鮮蒸汽，并實現(xiàn)蒸發(fā)濃縮的目的。目前在國內(nèi)正被越來越多地研發(fā)應(yīng)用于化工、制藥、廢水處理等諸多領(lǐng)域。

汽車行業(yè)高濃度乳化廢水包括乳化廢液、清洗廢水兩類，其主要污染物有COD、SS、石油類、氨氮、pH等。以COD為例，乳化廢液的COD值高達100 000 mg/L以上、清洗廢水COD值大約為30 000-60 000 mg/L。這種高濃度乳化液廢水的危害主要體現(xiàn)在影響潔凈的自然水源、惡化水質(zhì)、危害水產(chǎn)資源；污染大氣；影響農(nóng)作物生長等方面。針對汽車行業(yè)的高濃度乳化液廢水，人們研究了很多種治理方法，根究分離機理，大致可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法[1]。但基于MVR的乳化液處理技術(shù)尚未見報道，本試驗借鑒大眾（德國）發(fā)動機乳化液廢水的處理經(jīng)驗，采用國產(chǎn)設(shè)備開展了中試試驗，以期獲取其水質(zhì)、能耗等相關(guān)的數(shù)據(jù)，為該技術(shù)的應(yīng)用推廣提供參考。

2 試驗設(shè)計

2.1 工藝流程圖及其說明

2.1.1 工藝流程圖及其說明

如上圖所示：原料進入熱交換器Ⅰ（1）與來自冷凝水儲罐（7）的熱水間壁接觸實現(xiàn)物料預(yù)熱，然后與汽化分離室（2）中的濃縮液經(jīng)強制循環(huán)泵（5）一起泵入熱交換器Ⅱ（4），繼而在汽化分離室（2）完成氣液分離。

為了提高能源的利用效率，從汽化分離室（2）排放的二次蒸汽經(jīng)機械蒸汽壓縮機（3）再壓縮得以升溫升壓后，替代部分生蒸汽作為熱源對原料進行加熱；原料液吸熱后蒸發(fā)的蒸汽繼續(xù)進入下一個循環(huán)。當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，停供生蒸汽，由系統(tǒng)內(nèi)部蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)壓縮機再壓縮后作為加熱蒸汽；此后，蒸發(fā)所消耗的能量僅為壓縮機的能耗 P。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

該試驗中主要監(jiān)控的設(shè)備運行參數(shù)包括：溫度T（℃）、壓力P（atm）。以上指標為在線儀器監(jiān)測。試驗水質(zhì)指標的變化主要通過原料、濃縮液及蒸發(fā)出水這三部分的水質(zhì)情況來表達。具體的檢測因子包括：COD、氨氮、PO3-4 等，水樣的水質(zhì)監(jiān)測均采用國標方法測定，其中：COD的測定采用密閉消解分光光度法、氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法、PO3-4 的測定采用鉬酸銨分光光度法，測定所用主要儀器為DR890分光光度計、DRB200數(shù)字消解器。

數(shù)據(jù)的采集：自物料加熱至75℃（以汽化分離罐溫度計）為起點開始記錄設(shè)備運行參數(shù)，間隔時間為30min；同時采集兩個點（濃縮液采樣點、出水口采樣點）處的水樣；濃縮至壓縮機出現(xiàn)自動保護而不能繼續(xù)濃縮為止（溫度約為92-95攝氏度）；物料的加入量（M）及電消耗量（Q）均以開始加熱為累計起點。

2.3 中試試驗的基本情況

本次基于MVR技術(shù)的高濃度乳化廢水處理試驗分為三個批次進行，主要考察了其濃縮比、濃縮出水水質(zhì)（COD、氨氮、PO3-4 等指標）、能耗。自物料加熱至接近75℃時開始記錄設(shè)備運行參數(shù)，間隔時間為30min；同時采集兩個點（濃縮液出口、排水口）處的水樣。

其中：1#水樣為一廠發(fā)動機車間污水站乳化液廢水，試驗時間5月8日19：30至5月9日21：30，試驗時間共計28h；2#水樣為MQ200污水站乳化液廢水（含其清洗廢水）處理后的濃液，試驗時間5月11日15：00至5月13日17：00，試驗時間共計50h；3#水樣為一廠發(fā)動機車間污水站乳化液廢水和MQ200污水站乳化液廢水處理濃液按照1：1的混合水樣，試驗時間5月15日18：00至5月17日10：00，試驗時間共計40h。

現(xiàn)象描述：1#水樣在蒸發(fā)濃縮過程中，油水分離明顯，停機時，濃縮液幾乎全為黑色油狀液體，如圖2所示。2#水樣在蒸發(fā)濃縮過程中，油水分離不明顯，停機時取樣，靜置0.5h后分層，如圖所示。3#水樣在蒸發(fā)濃縮過程中，油水分離明顯，停機后取樣分別靜置10min、24h后，出現(xiàn)明顯分層，如圖3、4所示。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水質(zhì)對比分析

從COD變化來分析：以MVR運行時間為X軸、以COD值為Y軸建立水樣的濃縮液及蒸發(fā)出水的COD變化圖。由圖6可看出COD的去除率在5h就可以維持在99.5%以上，而濃縮液快速攀升至900 000 mg/L有短暫的停留，后在18h左右再升至1 400 000 mg/L，并維持不變，相應(yīng)的出水也能較好地穩(wěn)定在2 000～4 000 mg/L之間。由圖7可看出COD值大部分時間維持在40 000～100 000mg/L之間，且COD的升高速度較慢，但是去除率仍然可以維持在99%以上，且出水中的COD含量相對較低（約500mg/L），這主要原因在該處使用的原料來自于混凝-超濾系統(tǒng)的濃液儲存罐，其中大量的可測定COD已被去除。在圖8中濃縮液和出水的COD變化較大，看似無規(guī)律可循，這主要是因為1#樣和2#水樣按照1：1混合之后出現(xiàn)分層，實驗人員的間歇人工攪拌導(dǎo)致進水水質(zhì)不均，故檢測結(jié)果變化較大，但去除率也維持在99%以上，且出水COD含量均<800mg/L。

從N、P變化來分析：以MVR運行時間為X軸，以出水的氨氮（NH3-N）、磷酸鹽（以P計）濃度為Y軸監(jiān)測蒸發(fā)出水的N、P變化。由圖9、10、11可以看出：隨著MVR運行時間的推移，1#水樣的蒸發(fā)出水氨氮值穩(wěn)定在3 mg/L以下、磷酸鹽值穩(wěn)定在2.0 mg/L以下，2#水樣的蒸發(fā)出水氨氮值穩(wěn)定在0.3 mg/L以下、磷酸鹽值穩(wěn)定在1.5 mg/L以下，3#水樣的蒸發(fā)出水氨氮值穩(wěn)定在0.53 mg/L以下、磷酸鹽值穩(wěn)定在1.5 mg/L以下，最終出水排水進入城市污水處理廠，相應(yīng)執(zhí)行綜合污水排放標準（GB18918-2002）中的三級標準即可。

考慮到汽車發(fā)動機加工工藝的中水回用問題，此處參照《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T19923-2005）相應(yīng)指標可知：基于MVR技術(shù)的蒸發(fā)出水可以用作直流冷卻水、洗滌用水；若用作乳化液配置的溶劑，則可能存在總磷超標而影響加工質(zhì)量。

綜合圖6～11可以得出：單從水質(zhì)的變化來看，1#、2#、3#水樣隨著濃縮時間的推移，濃縮液的COD濃度提升明顯，而蒸發(fā)出水的COD濃度顯得相對較為穩(wěn)定，且設(shè)備運行5h以后3個水樣的COD去除率均在99%以上。從三批水樣的運行穩(wěn)定性來看：乳化液廢水（濃度在8～10%）單獨收集處理的效果相對較好，且COD去除率可維持在99.6%以上，但是因為單獨收集的乳化液廢水COD濃度130 000 mg/L，故蒸發(fā)出水濃度（COD值 2 000±500 mg/L）相對較高，需要進行后續(xù)處理。結(jié)合N、P的檢測結(jié)果，無論使用好氧處理（按營養(yǎng)需求BOD5：N：P=（100～150）：5：1計）還是厭氧處理（按營養(yǎng)需求BOD5：N：P=350：5：1計）都需要額外添加營養(yǎng)物質(zhì)。

3.2 耗能、壓縮比的對比分析

單位能耗Q是指處理單位質(zhì)量的廢水所消耗的能量，本文以處理1 t廢水所消耗的電能（單位kWh）來計算。對比圖12、13、14可以發(fā)現(xiàn)：（1）1#、2#、3#水樣分別在30 h、7 h、10 h之后開始轉(zhuǎn)入穩(wěn)定的耗能階段，前期的耗能普遍較大且能耗的上升速率較快，主要原因在于該階段需要將物料加熱升溫至80℃左右、另還需將自來水加熱產(chǎn)生的大量初始蒸汽，為此消耗了大量的能量；（2）1#水樣的耗能在物料1 h達到高點，對應(yīng)溫度為78.5℃，隨著溫度的進一步升高，二次蒸汽的產(chǎn)生量逐漸增大、能量的回收利用率越來越高，隨著時間后延至20 h左右設(shè)備運行參數(shù)趨于穩(wěn)定，能耗值主要就是機械壓縮裝置的電耗，并維持在150 kWh/t（廢水）；2#變化趨勢較為平緩，與1#水樣有些類似，但是單位能耗的變化不是太大，且后來處在約 200 kWh/t（廢水）；3#水樣在MVR運行時間為 30 h-44 h時，進料量和能耗均發(fā)生了突變，這可能是由于原料的分層導(dǎo)致的結(jié)果，后續(xù)能耗仍在呈現(xiàn)下降趨勢并逐步接近200 kWh/t（廢水）。

壓縮比ε是指進、出蒸汽壓縮機的蒸汽壓強Pi、P0的比值，或指蒸發(fā)器蒸汽壓強與壓縮機出口壓強的比值，以ε表示，ε=P0/Pi[2]。溫升△T表征的是二次蒸汽在壓縮機的機械作用下產(chǎn)生的內(nèi)能升高情況，本文通過溫度差異來體現(xiàn)，將進口溫度（即自汽化分離室產(chǎn)生的二次蒸汽溫度）記作T1，出口溫度（即蒸汽壓縮后的溫度）記作T2，則△T= T2- T1。由圖12、13、14可以看出壓縮比與溫升保持了較好地一致性，從設(shè)備的實際運行參數(shù)驗證了整個運行過程的穩(wěn)定性和獲取數(shù)據(jù)的可信性。

綜合設(shè)備運行的監(jiān)控數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)不同的水質(zhì)就能耗而言，單獨收集乳化液進行處理的成本不到后兩種處理方式的75%，且進料的頻率較為穩(wěn)定，筆者認為1#水樣單獨處理的設(shè)備運行優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：（1）進料泵可以更加穩(wěn)定地進料，特別是在10 h進料始終維持在0.1 t/h左右；（2）能耗的穩(wěn)定意味著機械壓縮機可以持續(xù)穩(wěn)定的按照某一個頻率運行，可以有效減少對管道、設(shè)備等的沖擊，從而大大降低維護、維修的成本。

綜合上述試驗中的水質(zhì)變化和設(shè)備運行參數(shù)情況，我們可以得出MVR技術(shù)對1#水樣的處理效果和設(shè)備運行效果更具有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文通過對三批試驗水樣的水質(zhì)及平均耗能等試驗結(jié)果的對比可以看出：（1） MVR技術(shù)是實現(xiàn)乳化液油水分離的有效途徑，COD的去除率高達99%以上。（2）廢水處理的耗能與乳化廢液含水率息息相關(guān)，即乳化廢液所占比重越大，耗能越??；反之，廢水含水率越高，綜合耗能越大。本次試驗的1#水樣（乳化液的含水率為90%-92%）的電耗為150 kWh/t，相比較傳統(tǒng)的混凝-氣浮、混凝-沉淀、混凝-超濾等方法具有明顯的優(yōu)勢。（3）乳化廢液濃度越高，成分越單一越有利于進一步濃縮且分層越少，原料的均一穩(wěn)定更加有利于設(shè)備運行的穩(wěn)定，能有效降低運行的維護成本。（4）1#水樣的蒸發(fā)出水澄清度高，可適當考慮內(nèi)部系統(tǒng)的回用；但是其COD含量相對較高，在外排前必須外加N、P等營養(yǎng)物質(zhì)再進行生物處理；1#水樣的濃縮液均一穩(wěn)定，可作為廢油進行回收利用，具體的用途還有待做進一步的研究。

綜上所述，MVR處理技術(shù)處理汽車行業(yè)的高濃度乳化液廢水行之有效，且建議采用“分類收集、單獨處理”為宜。

[參考文獻]

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Research on Highly-concentrated Emulsified Wastewater Treatment

Based on MVR Technology

YE Xing-gang

（Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000.China）

Abstract： This paper introduces the treatment of highly-concentrated emulsified wastewater in automobile industry based on the MVR technology，applies pilot scale tests on several kinds of wastewater. And comparisons are made on changes of parameters of removal efficiency（%），chemical oxygen demand（COD），ammonia（NH3-N），phosphate（P），feed rate（M），unit energy consumption（Q），and compression ratio（ε）in accordance with the running time（T）of MVR. The result shows that when it is treated individually，the treatment efficiency is higher（>99.5%），the energy consumption lower，and the emissions concentration more stable. However，since the inlet concentration is as high as over 100000 mg/L，the outlet concentration turns higher accordingly， and subsequent treatment facilities should be set.

Key words： MVR emulsified wastewater；COD；compression ratio；unit energy consumption