淺談高含鹽廢水的蒸發(fā)零排放技術(shù)

唐明元

（陜西有色天宏瑞科硅材料有限責(zé)任公司，西安 710075）

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，水資源使用和廢水排放問題日趨嚴(yán)重。國家和企業(yè)雖然花了大力氣和高成本不斷建立污水處理系統(tǒng)，盡量通過中水回用技術(shù)和污水處理技術(shù)提高水資源利用率和實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，減輕或消除對環(huán)境的不利影響，但是始終未從根本上解決水資源短缺的瓶頸問題和污染物累積的環(huán)境污染問題，尤其是高含鹽廢水對江河湖泊、土壤農(nóng)田等農(nóng)灌區(qū)域的污染和鹽堿化問題。

1970年，美國首次提出了廢水零排放的觀點。美國電力研究中心將廢水零排放定義為：不向地面水域排放任何形式的水（包括排出或滲出），所有離開電廠的水都是以濕氣的形式存在或是固化在灰渣中[1]。我國也于2005年頒布了《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》，明確提出要發(fā)展外排廢水回用和零排放技術(shù)[2]。因此，實現(xiàn)工業(yè)廢水零排放及回用是大勢所趨。而在廢水零排放中，尤其以高含鹽廢水的零排放最常見、難度也最大，屬于當(dāng)前急需解決和推廣的熱門技術(shù)。

1 高含鹽廢水的來源及組分特點

眾所周知，自然界存在很多礦物鹽，其以晶體或固體形式分布于地表下，受長年累月的雨水沖刷和侵蝕等作用，不斷溶解于水體中，隨著江川河流、地下水，被帶入化工生產(chǎn)過程中。高含鹽廢水主要來源于化工生產(chǎn)用水的不斷濃縮排污和廢水零排放的預(yù)處過程，如純水制備系統(tǒng)的再生沖洗水、循環(huán)水站蒸發(fā)濃縮的排放水、廢水零排放超濾（UF）、電滲析（EDR）、反滲透（RO）等預(yù)處理的排放濃水。

化工系統(tǒng)產(chǎn)生的高含鹽廢水源于上述工藝中富集排出的一小部分水或根據(jù)生產(chǎn)需要添加使用的各種藥劑，通常具有污染物濃度高（污染物的濃度是原水的4～10 倍）、含可溶性的無機(jī)鹽種類多（如典型的鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽、硅酸鹽、磷酸鹽等）、成分復(fù)雜、腐蝕性強(qiáng)、處理難度大、危害程度高等特點。

2 高含鹽廢水的危害和處理難點

高含鹽廢水含有大量溶解度很低的無機(jī)鹽，若未經(jīng)處理直接排入江河湖海，勢必會危害水體的自然生態(tài)平衡，使水質(zhì)惡化，導(dǎo)致漁業(yè)生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)的破壞，嚴(yán)重時還會污染地下水和飲用水源，甚至危害耕地，致使土壤發(fā)生鹽堿化，阻礙植物生長，因此國家專門制定了《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084-2005），明確要求全鹽含量必須小于1 000 mg/L（非鹽堿土地區(qū)）和2 000 mg/L（鹽堿土地區(qū)）[3]。

高含鹽廢水是廢水處理行業(yè)公認(rèn)的高難度處理廢水，由于含有高濃度的鹽離子，它具有很強(qiáng)的腐蝕性（氯離子）、較易的結(jié)垢性（鈣鎂離子）和較大的溶解性（鈉鹽），同時對微生物還有抑制和毒害作用，因此人們不能簡單地用常規(guī)處理技術(shù)來處理高含鹽廢水，需利用蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)將水中的溶解鹽進(jìn)行固液分離，冷凝清潔水回收循環(huán)利用，固化結(jié)晶鹽填埋處理或回收利用，最終實現(xiàn)零排放。

3 高含鹽廢水的蒸發(fā)工藝及技術(shù)特點

蒸發(fā)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥和食品等行業(yè)，近幾年正逐步用于高含鹽廢水的零排放處理過程中，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。按照蒸發(fā)方式，其可以分為自然蒸發(fā)（溶液在低于沸點溫度下蒸發(fā)）和沸騰蒸發(fā)（將溶液加熱至沸點，在沸騰狀態(tài)下蒸發(fā)）兩類。其中，沸騰蒸發(fā)目前國內(nèi)外最為常用，主要有多效蒸發(fā)、熱力蒸汽再壓縮蒸發(fā)、機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)以及降膜式機(jī)械蒸汽再壓縮循環(huán)蒸發(fā)等。

3.1 自然蒸發(fā)——蒸發(fā)塘

蒸發(fā)塘是利用太陽能、風(fēng)能等自然力量蒸發(fā)廢水的一種處理方法，是最早用于處理化工高濃鹽水的一種典型自然蒸發(fā)技術(shù)：將高濃鹽水排入蒸發(fā)塘，通過自然蒸發(fā)結(jié)晶，實現(xiàn)固液分離或濃鹽水減量，以便后續(xù)處理利用，減少設(shè)備投資和能量消耗，從而大幅度減少廢水處理投資和運行費用。

蒸發(fā)塘場址必須選在地域遼闊、氣候干燥、降雨量小、蒸發(fā)量大、太陽能充足，且當(dāng)?shù)囟嗄昶骄舭l(fā)量為降雨量3～5 倍的地區(qū)，受到嚴(yán)格的自然條件限制。同時，蒸發(fā)塘周邊還必須設(shè)置雨水阻斷設(shè)施，塘底和塘壁必須做防腐和防滲處理[4]。排入蒸發(fā)塘的水質(zhì)必須滿足國家規(guī)范要求，包括含鹽量、有機(jī)物、重金屬以及有毒有害物質(zhì)。

3.2 沸騰蒸發(fā)——多效蒸發(fā)

多效蒸發(fā)，是采用強(qiáng)制加熱實現(xiàn)沸騰蒸發(fā)的一種方式：將幾個蒸發(fā)器串聯(lián)起來，前一級蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一級蒸發(fā)器的熱源，如此循環(huán)利用蒸汽，以提高熱能利用效率。每一級蒸發(fā)器稱作“一效”，通常多效蒸發(fā)的循環(huán)蒸發(fā)器串聯(lián)效數(shù)在3～4個，少數(shù)多達(dá)6 效[5]。當(dāng)蒸發(fā)器的效數(shù)增加時，一次蒸汽的用量呈減少趨勢，即可實現(xiàn)節(jié)約能源的作用，但蒸發(fā)器的效數(shù)并不是無限的，也不是越多越好，這取決于二次蒸汽的品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性能。

3.3 沸騰蒸發(fā)——熱力蒸汽再壓縮蒸發(fā)

熱力蒸氣再壓縮蒸發(fā)是針對多效蒸發(fā)消耗大量一次蒸汽的缺點發(fā)展起來的，是改進(jìn)一次蒸汽經(jīng)濟(jì)性的一種經(jīng)濟(jì)實惠技術(shù)。其利用熱泵原理，在一效蒸發(fā)器前面增設(shè)蒸汽噴射壓縮裝置，將一次蒸汽和一效產(chǎn)生的部分二次蒸汽引入蒸汽噴射壓縮裝置。當(dāng)一次蒸汽經(jīng)過此蒸汽噴射壓縮裝置時，產(chǎn)生相對的負(fù)壓環(huán)境，利用此負(fù)壓抽吸來自一效加熱室產(chǎn)生的部分二次蒸汽，經(jīng)蒸汽噴射壓縮裝置混合增壓，提升溫度后再作為一效的加熱蒸汽，以提高熱能利用率，達(dá)到減少一次蒸汽消耗的目的。

從結(jié)構(gòu)上看，熱力蒸氣再壓縮蒸發(fā)較多效蒸發(fā)系統(tǒng)只增加了蒸汽噴射壓縮裝置，設(shè)計簡單，沒有活動部件，操作可靠穩(wěn)定。但從效能上看，使用一臺熱力蒸汽壓縮裝置所節(jié)約的能源與增加一效蒸發(fā)器所節(jié)約的能源相當(dāng)，即熱力蒸氣再壓縮蒸發(fā)比單純的多效蒸發(fā)更節(jié)能，消耗的一次蒸汽更少。據(jù)研究，熱力蒸氣再壓縮蒸發(fā)的能耗僅為單效蒸發(fā)能耗的78%[6]。在運行過程中，熱力蒸汽再壓縮蒸發(fā)仍然需連續(xù)供給一定數(shù)量的鮮蒸汽。

3.4 沸騰蒸發(fā)——機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)

機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)是采用機(jī)械壓縮機(jī)將蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸氣強(qiáng)制壓縮，人為提高二次蒸汽的壓力和溫度，增加二次蒸汽的熱焓，然后全部再次回送到蒸發(fā)器的加熱室作為加熱料液的熱源，使料液始終維持在沸騰狀態(tài)，并不斷蒸發(fā)濃縮。加熱蒸汽本身經(jīng)換熱后冷凝成水排出，作為合格產(chǎn)水使用。料液蒸發(fā)的蒸汽再次作為二次蒸汽進(jìn)入機(jī)械壓縮機(jī)，提高熱焓品質(zhì)，再次作為蒸發(fā)器的熱源，如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始。補(bǔ)充的新蒸汽僅在裝置啟動和運行過程中用于彌補(bǔ)熱損失、進(jìn)出料的溫差熱焓，正常運行后通常不再需要新蒸氣的供給，其節(jié)能效果相當(dāng)于許多常規(guī)蒸發(fā)系統(tǒng)。

機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)技術(shù)最大程度地利用了自身產(chǎn)生的二次蒸汽能量，能源利用率幾乎接近100%，大幅度地降低了新蒸汽的消耗。據(jù)研究，能耗僅為單效蒸發(fā)能耗的23.8%[6]。

4 高含鹽廢水蒸發(fā)技術(shù)的難點

目前，高含鹽廢水的蒸發(fā)零排放技術(shù)已經(jīng)取得了非常大的突破，并在各個行業(yè)和各個區(qū)域不斷建設(shè)和投用，也取得了顯著的環(huán)保效果和經(jīng)濟(jì)效果，但是由于高含鹽廢水的組分特性，高含鹽廢水的蒸發(fā)零排放技術(shù)存在如下難點。

4.1 運行控制要求高

為了減少加熱蒸發(fā)處理的水量，含鹽廢水的預(yù)處理階段通常采用膜濃縮技術(shù)來提升含鹽廢水濃度，使其保持在50 000～80 000 mg/L，進(jìn)而顯著降低后續(xù)蒸發(fā)零排放工段的投資和運行費用。在膜濃縮運行過程中，必須嚴(yán)格控制進(jìn)水的pH、硬度、有機(jī)物、膠體懸浮物等，稍有不慎就會造成濃縮膜效率降低，甚至嚴(yán)重污染，進(jìn)而造成較大的損失（濃縮膜不可再生）。

4.2 設(shè)備易結(jié)垢，效率降低

為了實現(xiàn)零排放，高含鹽廢水在蒸發(fā)階段快速濃縮，溶解的大量無機(jī)鹽很快達(dá)到飽和，在聚集特性的作用下自發(fā)形成小晶核，并不斷堆積長大成晶體。在此過程中，部分小晶核附著在蒸發(fā)設(shè)備壁上，隨著蒸發(fā)濃縮的進(jìn)行，逐步生成水垢，目前，控制結(jié)垢的技術(shù)已經(jīng)取得較大進(jìn)步，晶種法被廣泛應(yīng)用，即人為添加晶核，讓溶解鹽選擇性地生長在添加的晶核上，從而避免附著在蒸發(fā)設(shè)備壁上結(jié)垢，影響換熱效率。通過此方法，蒸發(fā)設(shè)備通常能連續(xù)運行一年以上，極大地提高了運行效率[7]。

4.3 腐蝕性強(qiáng)，投資大

高含鹽廢水通常含有腐蝕性極強(qiáng)的氯離子，尤其在蒸發(fā)濃縮后，氯離子大量聚集，在沸騰溫度的雙重作用下，對蒸發(fā)設(shè)備的腐蝕性更加強(qiáng)烈。因此，在蒸發(fā)設(shè)備的設(shè)計加工過程中，材質(zhì)選擇尤為重要，通常選用進(jìn)口價格高昂的2205、2507、Ti、Ti 合金等特殊材質(zhì)。據(jù)測算，蒸發(fā)器及結(jié)晶器的噸水投資費用為：進(jìn)口設(shè)備為150～200 萬元/噸水；引進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)制造設(shè)備為110～140 萬元/噸水[8]。

4.4 固化鹽處置成本高

目前，采用蒸發(fā)零排放技術(shù)實現(xiàn)固液分離出來的鹽通常是混鹽，成分較復(fù)雜，可能含有一些有毒物質(zhì)，其性質(zhì)鑒定非常困難?，F(xiàn)階段,蒸發(fā)零排放固化下來的混鹽必須按危廢進(jìn)行處置，成本非常高，每噸處置成本通常在3 000～5 000 元，個別地區(qū)更高（5 000～7 000 元），危廢處置費用約占運行總費用的60%[9]。

5 結(jié)論

當(dāng)前，高含鹽廢水的蒸發(fā)零排放技術(shù)還存在運行成本高、易結(jié)垢、腐蝕性大等難點，尤其是固化混鹽必須作為危廢處置，這無形中給企業(yè)又增加了巨大的負(fù)擔(dān)。因此，高含鹽廢水的蒸發(fā)零排放技術(shù)還需進(jìn)一步深化，繼續(xù)朝分鹽處理方向發(fā)展，實現(xiàn)一價鹽和二價鹽的獨立分離固化回收，進(jìn)而實現(xiàn)真正意義上的無害化和資源化。