熱法處理高鹽廢水新進(jìn)展

李俊嶺

(福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司)

熱法處理高鹽廢水新進(jìn)展

李俊嶺*

(福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司)

在傳統(tǒng)的膜法和蒸餾法處理高鹽廢水的基礎(chǔ)上，介紹了熱法處理技術(shù)的原理，總結(jié)了其技術(shù)特點(diǎn)，并指出了適用于高鹽重度廢水處理技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

高鹽廢水 熱法處理 噴霧蒸發(fā) 浸沒(méi)式燃燒蒸發(fā)

含鹽廢水是指含有溶解性固體TDS(Total Dissolved Solid)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少達(dá)3.5%的廢水[1，2]，主要來(lái)源為海水、苦咸水的濃縮水，食品加工、化工生產(chǎn)排放的廢水以及石油和天然氣采集加工過(guò)程中產(chǎn)生的高濃度廢水。這些廢水中除含有微生物、大分子有機(jī)物以外，還含有大量的無(wú)機(jī)鹽如Cl-、SO42-、Ca2+、Na+、Mg2+等[3]。常規(guī)的處理方法鹽水濃度不能太高，因此探究處理高鹽廢水的新方法迫在眉睫。

1 處理含鹽廢水的常規(guī)方法

常規(guī)的膜法如離子交換法，電滲析法和反滲透法在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很多。但是離子交換樹(shù)脂對(duì)給水要求很高，一般來(lái)說(shuō)油含量要低于2mg/L，另外含鹽量也不能高于300mg/L[4]，否則生產(chǎn)成本迅速升高。電滲析除鹽率一般為50%～90%[5]。反滲透是最早由美國(guó)發(fā)展起來(lái)的，利用壓力推動(dòng)淡化鹽水的技術(shù)，其處理成本較低，但是滲透膜很容易被污染，一旦被污染，處理能力和滲透膜的壽命也隨之降低，膜通量一般都成倍下降[6]，這些不足都會(huì)限制膜分離技術(shù)在工程上的大規(guī)模應(yīng)用，尤其對(duì)于高濃度的鹽水更有局限性。

常規(guī)的熱法有多級(jí)閃蒸、多效蒸餾[7]和壓氣蒸餾，在水處理上應(yīng)用很廣泛，尤其是在中東地區(qū)，技術(shù)已經(jīng)成熟[8]，設(shè)備的運(yùn)行以及維護(hù)費(fèi)用少。但是由于這些方法都涉及到廢水和熱源的間壁式換熱，所以很容易結(jié)垢腐蝕設(shè)備，尤其是處理高濃度的鹽水，會(huì)對(duì)換熱系統(tǒng)造成很大的影響，增大能耗，降低生產(chǎn)能力[9]。另外，對(duì)于油氣田方面的廢水，由于成分復(fù)雜而且含有原油，油膜會(huì)大幅降低傳熱，使得蒸餾法在油田水處理上受到限制。

常規(guī)的生物法處理高鹽廢水時(shí)，耐鹽污泥微生物的培養(yǎng)難度較大，周期長(zhǎng)，占地面積大，過(guò)程參數(shù)不易控制[10]，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)有一定的限制，因此無(wú)論是膜法還是常規(guī)的熱法以及生物法在處理高濃度廢水上都有局限性[11]。

2 幾種熱法處理高鹽廢水的特點(diǎn)和進(jìn)展

2.1噴霧蒸發(fā)法(Rapid Spray Evaporation)

噴霧蒸發(fā)淡化原理如圖1所示，將海水通過(guò)噴頭呈霧狀噴入蒸發(fā)室內(nèi)，與蒸發(fā)室內(nèi)的熱空氣迅速進(jìn)行熱交換，海水中的水分快速蒸發(fā)成為水蒸氣，海水由此被濃縮；蒸發(fā)過(guò)程結(jié)束后，水蒸氣被空氣流帶出蒸發(fā)室，隨后再被冷凝為淡水并予以回收。噴霧蒸發(fā)淡化過(guò)程中海水的濃縮倍率很高，鹽分甚至可以結(jié)晶析出。

圖1 噴霧蒸發(fā)原理示意圖

美國(guó)Aquasonics公司于2001年推出一項(xiàng)“快速?lài)婌F蒸發(fā)”海水淡化方法[12]，將海水以200～300m/s的流速?lài)娙胝舭l(fā)室，實(shí)現(xiàn)鹽水常壓環(huán)境下真空蒸發(fā)，在熱空氣流中迅速變成水蒸氣，水蒸氣被一組特殊的擋板截留而冷凝，鹽分則成為固體顆粒沉積下來(lái)，平均算下來(lái)生產(chǎn)1t淡水的成本為35美分左右。田鳳山采用一種節(jié)能?chē)婌F負(fù)壓蒸餾式海水淡化的方法[13]，在蒸發(fā)室內(nèi)使用閃蒸的方法強(qiáng)化海水霧滴的蒸發(fā)，蒸發(fā)室內(nèi)通過(guò)一個(gè)外接的液位罐維持負(fù)壓狀態(tài)，制成一套自動(dòng)噴霧閃蒸設(shè)備。關(guān)于噴霧蒸發(fā)的研究主要在二次蒸汽的熱利用上，美國(guó)能源公司2004年推出把二次蒸汽作為多效蒸餾的熱源[14]，大大提高了熱利用率。成懷剛和高從堦利用低溫蒸餾-噴霧蒸發(fā)集成工藝[15]，進(jìn)行高鹽水深度淡化的可行性探究，結(jié)果表明回收率達(dá)到70%以上[16]，同時(shí)可以獲得固體鹽顆粒。

噴霧蒸發(fā)沒(méi)有傳熱面，更適合于高鹽廢水，避免了結(jié)垢腐蝕換熱管。操作壓力多為常壓，操作溫度一般在50～90℃[17]，容易使用低品位熱能作為能源，便于應(yīng)用價(jià)廉易得的高分子材料制作設(shè)備，從而減少設(shè)備投資。理論上可將99%以上的海水轉(zhuǎn)化為淡水且達(dá)到零排放。但是噴霧蒸發(fā)的二次蒸汽中含有大量的空氣(高達(dá)50%～90%)，給蒸汽冷凝帶來(lái)了很大的難度。噴霧蒸發(fā)尚處于研究階段，短期內(nèi)不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2增濕-去濕法(Humidification-Dehumidification)

增濕-去濕技術(shù)由傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸餾淡化發(fā)展而來(lái)。該技術(shù)以流動(dòng)的空氣作為水蒸氣的載體，蒸發(fā)室與冷凝室是分離開(kāi)的，空氣和水直接接觸完成增濕過(guò)程，然后濕空氣進(jìn)入冷凝室內(nèi)冷凝，空氣和水分離開(kāi)來(lái)，完成去濕過(guò)程[18]。

增濕-去濕法操作壓力多為常壓，操作溫度一般70～95℃[19]，很容易使用一些低品位的熱能作為熱源。由于增濕-去濕過(guò)程只是空氣與水的一個(gè)直接接觸增濕過(guò)程，不存在間壁式換熱，所以適合處理高鹽廢水，對(duì)容易結(jié)垢腐蝕的廢水尤其適用，也便于應(yīng)用性能適宜且較廉價(jià)的高分子材料制作淡化設(shè)備。另外，它與噴霧蒸發(fā)原理類(lèi)似，只是噴霧蒸發(fā)用的是熱氣流，二次蒸汽冷凝不在同一設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，而增濕-去濕法使用的是常溫常壓的空氣，鹽水需要經(jīng)過(guò)預(yù)熱，空氣在增濕的過(guò)程中同時(shí)完成升溫過(guò)程，蒸發(fā)室與冷凝室之間通過(guò)隔板隔開(kāi)并進(jìn)行傳熱冷凝[20]。

增濕-去濕法是一種新的水處理技術(shù)[21]，生產(chǎn)能力上在短期內(nèi)還很難與傳統(tǒng)的蒸餾法相提并論。不過(guò)，它的低溫常壓操作條件，與低品位熱能的耦合顯得更節(jié)能，若與可再生能源(比如太陽(yáng)能)結(jié)合，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

2.3露點(diǎn)蒸發(fā)法(Dewvaporation)

露點(diǎn)蒸發(fā)法在原理上與噴霧蒸發(fā)類(lèi)似，原理如圖2所示，是一種特殊的增濕-去濕法。其不足是：一方面含鹽量高時(shí)會(huì)給預(yù)熱設(shè)備造成壓力；另一方面熱利用率不高，造水比通常小于3[22]。露點(diǎn)蒸發(fā)不需要單獨(dú)預(yù)熱空氣，它將蒸發(fā)室與冷凝室有效地耦合起來(lái)，蒸發(fā)室內(nèi)空氣與鹽水均由下端進(jìn)入，在上升過(guò)程中由凝露室提供冷凝熱，來(lái)完成空氣升溫過(guò)程，同時(shí)空氣的含濕量逐漸增加，趨于接近飽和狀態(tài)完成露點(diǎn)蒸發(fā)。二次蒸汽經(jīng)過(guò)管道輸送到冷凝室，完成冷凝過(guò)程，回收產(chǎn)品水。該過(guò)程不涉及到預(yù)熱等一些管壁換熱過(guò)程，因此一方面對(duì)熱的利用率較高，另一方面對(duì)于高鹽復(fù)雜廢水很適合，該技術(shù)比起傳統(tǒng)的蒸餾法生產(chǎn)能力有限，尚在研究階段，在高難處理廢水方面很有前景。

圖2 露點(diǎn)蒸發(fā)原理示意圖

2.4浸沒(méi)式燃燒蒸發(fā)(Submerged Combustion Evaporation)

浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)技術(shù)是一種無(wú)固定傳熱面的蒸發(fā)方式，原理如圖3所示。高溫?zé)煔馀c待蒸發(fā)液體直接接觸進(jìn)而發(fā)生傳熱傳質(zhì)，傳熱速率快，熱效率高達(dá)95%左右[23]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其適合于易結(jié)垢液體的蒸發(fā)濃縮、分離，在冶煉、化工、核工業(yè)及環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因此該方法從換熱方面來(lái)看非常適合高含鹽廢水處理。

圖3 浸沒(méi)式燃燒原理示意圖

浸沒(méi)式燃燒蒸發(fā)技術(shù)與噴霧蒸發(fā)相比，不用加熱氣體載體，直接得到高溫?zé)煔鈬姷綇U水中，熱利用率高，設(shè)備投資小。由于避免了結(jié)垢腐蝕，適合處理高含鹽污水，只需在蒸發(fā)室內(nèi)壁涂上一層防腐蝕材料即可。另外，由于煙氣成分多占比例大，使得蒸汽分壓較低，液體的沸點(diǎn)下降，一般在86～88℃，在常壓下實(shí)現(xiàn)了減壓蒸發(fā)。

由于燃燒導(dǎo)致煙氣溫度較高，對(duì)廢水中的有機(jī)物氧化效果較好。許玉東等嘗試將二級(jí)浸沒(méi)式燃燒蒸發(fā)設(shè)備應(yīng)用于在垃圾填埋場(chǎng)滲濾液，實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，滲濾液COD由4000～6000mg/L下降到30～60mg/L[24]，得到的含固率在40%以上。該裝置設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本均相對(duì)較低，因此高鹽SCE技術(shù)在處理高鹽廢水方面是大有發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

2.5水中焚燒式蒸發(fā)(Water Blaze Evaporation)

美國(guó)Water Maze公司1994年在浸沒(méi)式燃燒蒸發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)燃燒管道進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了水中焚燒式蒸發(fā)[25]。把含有90%以上水分且很難凈化處理的工業(yè)廢水，直接噴射在燃燒的火焰中，使廢水中所含的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)(VOC)和各種污染物在1 050℃的超高溫下氧化燃燒，分離出純水和單體化合物。氧化燃燒后的碳化粉末和固形物則通過(guò)下端的污泥倉(cāng)和排放裝置另行分離，并由此大幅降低了廢水處理費(fèi)用[26]。

水中焚燒式蒸發(fā)技術(shù)在兼具浸沒(méi)式燃燒蒸發(fā)所有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，熱效率高達(dá)99.9%[27]，可以處理膜、生化法以及物化法等工藝難以處理的高濃度廢水，實(shí)現(xiàn)零排放，做到真正根除一切廢水。但是該方法所用的燃料為L(zhǎng)NG和LPG，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小，但是燃料投資高，造成生產(chǎn)成本升高，而且由于燃料的限制，目前每天加工廢水能力僅12t。該技術(shù)尤其適合處理高含鹽油田污水，做到根除有機(jī)物、溶解鹽等。在重度廢水處理上已經(jīng)成功得到應(yīng)用。

3 處理技術(shù)特點(diǎn)比較

綜上所述，處理高鹽重度廢水的方法各有異同點(diǎn)，主要的不同是熱源特點(diǎn)和性質(zhì)，但是傳熱形式是一致的，都是廢水與熱氣流的直接接觸換熱蒸發(fā)。噴霧蒸發(fā)、增濕-去濕、露點(diǎn)蒸發(fā)不是傳統(tǒng)意義上的換熱蒸發(fā)技術(shù)，而是涉及到氣液平衡蒸發(fā)的一種新穎的淡化技術(shù)；浸沒(méi)式蒸發(fā)與水中焚燒式蒸發(fā)是通過(guò)燃料燃燒來(lái)提供高溫?zé)彷d體，與廢水直接接觸換熱蒸發(fā)的過(guò)程。由于與廢水的直接接觸,而且煙氣溫度較高可以使大分子有機(jī)物降解，與生物法處理高鹽廢水中有機(jī)物相比，結(jié)構(gòu)、操作簡(jiǎn)單，周期短，處理效果好，占地面積小，操作容易控制，使得它們都非常適合于處理高濃度難處理廢水，而且可以得到淡水兼固體產(chǎn)品鹽，實(shí)現(xiàn)污水處理的零排放。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱法處理技術(shù)與傳統(tǒng)的蒸餾法和膜法技術(shù)相比，無(wú)傳熱面，避開(kāi)了預(yù)處理難度大的問(wèn)題；避免了高鹽廢水的結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題，可以減少設(shè)備投資；直接接觸式換熱提高了熱利用率，濃縮倍率高等優(yōu)勢(shì)使得這些熱法在處理高鹽廢水領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。但是熱法處理所得二次蒸汽中含有大量的不凝氣體，對(duì)于蒸汽傳熱傳質(zhì)的研究提出了新的課題。

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ProgressinThermalTreatmentTechnologyforWastewaterwithHighSalinity

LI Jun-ling
(Fluor(China)EngineeringConstructionCo.,Ltd.,Shanghai201103,China)

Basing on both traditional membrane method and distillation method, the heat transfer surface-free thermal processing method’s principle was introduced and its technological characteristics were summarized, including its application prospect in high-salinity wastewater treatment.

high-salinity wastewater, thermal treatment technology, spray evaporation, submerged combustion evaporation

* 李俊嶺，男，1973年2月生，工程師。上海市，201103。

TQ028

A

0254-6094(2016)02-0140-04

2015-05-25，

2016-03-07)

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