蒸發(fā)組合工藝在危廢廢水物化預(yù)處理中的應(yīng)用

胡立海

（中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 201204）

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程中排放大量廢液，如果不能有效治理，隨意排放，會(huì)嚴(yán)重污染地下水和土壤，并對人體造成中毒、致癌、致畸、致變等損害，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人體健康[1]。目前，工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的具有毒性、腐蝕性、易燃性、反應(yīng)性或者感染性的廢液已被納入《國家危險(xiǎn)廢物名錄（2021 年版）》進(jìn)行管理，各地也新建了大量廢液處置中心對這些有毒有害廢液進(jìn)行處理。廢液處置中心對不同類型的廢液分類儲(chǔ)存，然后按各廢液的性質(zhì)采用一定的處理工藝對其進(jìn)行物化預(yù)處理，降低廢水的COD 和毒性，提高廢水的可生化性，為后續(xù)生化處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 危廢廢水來源及特征

危廢廢水來源廣泛而復(fù)雜，其主要來源于化學(xué)工業(yè)、煉油工業(yè)、金屬工業(yè)、采礦工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)等[2]，這些廢水可根據(jù)《國家危險(xiǎn)廢物名錄（2021 年版）》的規(guī)定進(jìn)行分類。危險(xiǎn)廢物的有害特性不盡相同，且成分也很復(fù)雜，故適用于每種危險(xiǎn)廢物的處置方法不盡相同。

危廢處置廢水包括含油廢水、溶劑廢水、含氰廢水、含氟廢水、重金屬廢水和廢酸堿廢水等。這些廢水主要有4 個(gè)特征。一是COD 含量高。每升廢水COD 含量高達(dá)幾萬甚至幾十萬毫克，未經(jīng)處理的高濃度COD 廢水一旦排入自然水體，就會(huì)被水中微生物降解，COD 降解過程會(huì)消耗水中大量氧氣，導(dǎo)致水體缺氧，破壞水體生態(tài)平衡。二是鹽濃度高。廢水中高濃度的鹽分對微生物的增殖有很強(qiáng)的抑制作用，未經(jīng)馴化的微生物的活性將明顯受到抑制，嚴(yán)重影響廢水處理效率，難以達(dá)到預(yù)期的凈化效果，加大了廢水處理難度。三是毒性大。廢水含有氰、酚、重金屬等，對微生物產(chǎn)生致畸或致死作用。四是水質(zhì)不穩(wěn)定，成分復(fù)雜。酸堿度、含鹽量、重金屬含量差異較大，加大處理難度[3]。總之，危廢廢水是典型的難生化降解廢水，在進(jìn)生化系統(tǒng)前必須進(jìn)行預(yù)處理，以降低生物毒性和有害物濃度。

2 危廢廢水物化預(yù)處理方法

廢水預(yù)處理可以減輕后續(xù)生化處理的負(fù)擔(dān)，減少廢水中對微生物有抑制作用的物質(zhì)。目前，危廢廢水物化預(yù)處理方法有絮凝沉淀、氣浮、離子交換、深度氧化和蒸發(fā)濃縮等。在預(yù)處理過程中，廢水加藥較多，且初期鹽含量很高，導(dǎo)致預(yù)處理后的廢水成為高鹽、高COD 廢水，這些廢水成為水處理行業(yè)公認(rèn)的高難度處理廢水。行業(yè)內(nèi)對此類廢水主要采用蒸發(fā)濃縮法，即通過加熱將廢水中的水和沸點(diǎn)較低的溶劑一同蒸出，使廢水中鹽分析出，有效去除廢水中鹽分和其他雜質(zhì)，滿足后續(xù)工藝進(jìn)水要求。

3 蒸發(fā)工藝選擇

3.1 三效蒸發(fā)工藝

三效蒸發(fā)工藝分為三種，即順流蒸發(fā)、逆流蒸發(fā)與錯(cuò)流蒸發(fā)。結(jié)合物料性質(zhì)和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，三效蒸發(fā)系統(tǒng)采用混流蒸發(fā)，即物料從Ⅲ效進(jìn)料，經(jīng)過Ⅰ效后從Ⅱ效出料。這種方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)。一是Ⅱ效出料，溫度較高，可避免濃縮液因有機(jī)物過多而過于黏稠造成出料堵塞；二是Ⅲ效溫度較低，但有機(jī)物濃度不高，不會(huì)出現(xiàn)堵管現(xiàn)象；三是Ⅲ效進(jìn)料，Ⅱ效出料，提高了能量利用率，降低能耗。

3.1.1 順流蒸發(fā)

順流蒸發(fā)物料流向同蒸汽流向一致，即從Ⅰ效進(jìn)料，經(jīng)過Ⅱ效后從Ⅲ效出料。順流蒸發(fā)能耗低，但末效出料溫度較低。物化廢水為高鹽高COD 廢水，濃縮一定倍數(shù)后，物料有機(jī)物富集，黏度增大，容易結(jié)鹽堵塞管道，影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2 逆流蒸發(fā)

逆流蒸發(fā)物料流向同蒸汽流向相反，即物料從Ⅲ效進(jìn)料，經(jīng)過Ⅱ效后從Ⅰ效出料。出料溫度高，可以在一定程度上提高黏度，但也帶走較多熱量，運(yùn)行成本較高。由于濃縮液含有大量有機(jī)物，溫度過高會(huì)使有機(jī)物碳化后與固體鹽結(jié)合在一起，很難清洗。

3.1.3 錯(cuò)流蒸發(fā)

錯(cuò)流蒸發(fā)將順流蒸發(fā)與逆流蒸發(fā)相結(jié)合，兼取兩者之長，但是操作復(fù)雜。

3.2 MVR 工藝

機(jī)械蒸汽再壓縮工藝（MVR）是一種節(jié)能蒸發(fā)技術(shù)，它利用蒸發(fā)過程中自產(chǎn)的二次蒸汽作為熱源，降低外來能源需求。運(yùn)行時(shí)，MVR 系統(tǒng)通過蒸汽壓縮機(jī)對二次蒸汽進(jìn)行壓縮做功，將電能轉(zhuǎn)換成熱能，提高了蒸汽的溫度和壓力，將乏汽轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏恼羝?，作為蒸發(fā)器的熱源，實(shí)現(xiàn)了蒸汽潛熱的有效利用，極大地降低了廢水蒸發(fā)的能耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低能耗運(yùn)行。

蒸汽壓縮機(jī)是MVR 工藝的核心設(shè)備[4]，此工藝的使用受廢水沸點(diǎn)溫升范圍的限制，若廢水沸點(diǎn)升高數(shù)值掌握不準(zhǔn)，選出的壓縮機(jī)提供的熱焓就會(huì)偏小，最終導(dǎo)致蒸發(fā)能力不足，MVR 系統(tǒng)無法達(dá)到目標(biāo)蒸發(fā)量。當(dāng)廢水水質(zhì)比較復(fù)雜時(shí)，分離器中出來的蒸汽無法徹底除沫，進(jìn)入壓縮機(jī)后會(huì)有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。MVR蒸發(fā)能耗主要為電耗，它適用于蒸汽成本高而電耗成本較低的項(xiàng)目。根據(jù)相關(guān)資料[5]，三效蒸發(fā)和MVR工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1 所示。分析發(fā)現(xiàn)，兩種蒸發(fā)工藝各有利弊，主要根據(jù)廢水性質(zhì)、運(yùn)行成本與投資費(fèi)用等，選擇蒸發(fā)工藝。

表1 三效蒸發(fā)和MVR 工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比

4 蒸發(fā)組合工藝應(yīng)用實(shí)例

某危廢處置中心的廢液經(jīng)前端物化處理，其出水成分復(fù)雜（高鹽、高COD），需要進(jìn)行蒸發(fā)脫鹽，以滿足后續(xù)進(jìn)水要求。本項(xiàng)目蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)廢水處理量為335 t/d，采用MVR 蒸發(fā)+錯(cuò)流三效蒸發(fā)+單蒸釜組合工藝對廢水進(jìn)行蒸發(fā)脫鹽，對母液進(jìn)行深度濃縮，減少母液委外處理量。

4.1 設(shè)計(jì)水質(zhì)

危廢廢水來源廣，成分復(fù)雜，預(yù)處理工藝各不相同，導(dǎo)致進(jìn)蒸發(fā)裝置的廢水水質(zhì)變化比較大，故蒸發(fā)系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)在設(shè)計(jì)時(shí)具有較大的取值范圍。本項(xiàng)目蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)水綜合水質(zhì)如表2 所示。

表2 蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)水綜合水質(zhì)

4.2 工藝流程

進(jìn)蒸發(fā)系統(tǒng)的廢水先在一級(jí)預(yù)熱器中與出裝置的二次蒸汽凝液換熱，被預(yù)熱的廢水繼續(xù)在二級(jí)預(yù)熱器中與出裝置的生蒸汽凝液換熱，被加熱的廢水進(jìn)入MVR 分離罐，廢水在MVR 分離罐內(nèi)濃縮，MVR 分離罐頂部的蒸汽被壓縮機(jī)加壓升溫，加壓升溫后的二次蒸汽在MVR 加熱器中對來自MVR 分離罐底部的濃縮液進(jìn)行加熱，加熱后的濃縮液返回MVR 分離罐中進(jìn)行氣液分離，被冷凝的二次蒸汽與進(jìn)MVR 的廢水換熱后暫存在蒸發(fā)收集池內(nèi)。MVR 分離罐底部的濃縮廢水被送至三效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)脫鹽。

來自MVR 分離罐底部的濃縮廢水進(jìn)入Ⅲ效分離罐，廢水在Ⅲ效分離罐內(nèi)濃縮，被蒸去一定水分后的濃縮液由轉(zhuǎn)料泵送至Ⅰ效分離罐內(nèi)繼續(xù)蒸發(fā)。Ⅰ效分離罐濃縮后的廢水被轉(zhuǎn)料泵送至Ⅱ效分離罐內(nèi)繼續(xù)蒸發(fā)濃縮，Ⅱ效分離罐底的濃縮液被出料泵送至結(jié)晶釜降溫結(jié)晶，含有結(jié)晶鹽的廢水自流進(jìn)入離心機(jī)進(jìn)行固液分離，分離鹽后的母液一部分返回Ⅱ效分離罐繼續(xù)濃縮，另一部分母液進(jìn)入單蒸釜進(jìn)行減壓蒸發(fā)，單蒸釜濃縮后的母液排入噸桶，委外處置。Ⅰ效加熱器的熱源為生蒸汽，Ⅱ效加熱器的熱源為Ⅰ效分離罐的二次蒸汽，Ⅲ效加熱器的熱源為Ⅱ效分離罐的二次蒸汽，Ⅲ效分離罐和單蒸釜產(chǎn)生的二次蒸汽被循環(huán)水冷卻。蒸發(fā)組合工藝流程如圖1 所示。

圖1 蒸發(fā)組合工藝流程

4.3 主要工藝參數(shù)

蒸發(fā)組合工藝主要設(shè)備工藝參數(shù)如表3 所示。

表3 蒸發(fā)組合工藝主要設(shè)備工藝參數(shù)

4.4 主要設(shè)備選型

根據(jù)進(jìn)水量、進(jìn)水水質(zhì)與各蒸發(fā)設(shè)備的操作參數(shù)，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，可得到設(shè)備選型結(jié)果。

4.4.1 MVR 部分

一級(jí)預(yù)熱器換熱面積為25 m2，數(shù)量為1 臺(tái)；二級(jí)預(yù)熱器換熱面積為25 m2，數(shù)量為1 臺(tái)；MVR 加熱器換熱面積為800 m2，數(shù)量為1 臺(tái)；MVR 分離罐規(guī)格為Φ2 000 mm×5 000 mm，數(shù)量為1 臺(tái)；離心式蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)氣量為8 t/h，其變頻電機(jī)功率為560 kW，數(shù)量為1 臺(tái)。

4.4.2 三效蒸發(fā)部分

Ⅰ效加熱器、Ⅱ效加熱器、Ⅲ效加熱器及冷凝器換熱面積均為140 m2，數(shù)量均為1 臺(tái)；Ⅰ效分離罐規(guī)格為Φ1 200 mm×5 000 mm，數(shù)量為1 臺(tái)；Ⅱ效分離罐規(guī)格為Φ1 200 mm×5 000 mm，數(shù)量為1 臺(tái)；Ⅲ效分離罐規(guī)格為Φ1 400 mm×5 000 mm，數(shù)量為1 臺(tái)。水環(huán)真空泵最大抽氣量為280 m3/h，功率為7.5 kW，數(shù)量為1 臺(tái)；結(jié)晶釜容積為6 300 L，換熱面積為6.4 m2，數(shù)量為4 臺(tái)；吊袋離心機(jī)分離含固相物的粒徑大于0.5 mm，機(jī)型為PD-1500，功率為22 kW，數(shù)量為1 臺(tái)。

4.4.3 母液單蒸部分

單蒸釜容積為6 300 L，換熱面積為6.4 m2，數(shù)量為4 臺(tái)；水環(huán)真空泵最大抽氣量為165 m3/h，功率為4 kW，數(shù)量為1 臺(tái)。

4.5 設(shè)備和管道材質(zhì)選擇

一是與物料接觸的換熱器、容器材質(zhì)應(yīng)采用鈦材。結(jié)晶釜、單蒸釜材質(zhì)為碳鋼（內(nèi)襯搪瓷防腐）。轉(zhuǎn)料泵與循環(huán)泵材質(zhì)為鈦，進(jìn)料泵材質(zhì)為鋼襯氟。選擇抗酸、抗氯離子腐蝕的材質(zhì)，避免設(shè)備被高鹽高COD 廢水腐蝕，減少非計(jì)劃性停車。二是與物料接觸的管道、含結(jié)晶管道的閥門全部選用鈦材，其余選用碳鋼襯四氟。與二次蒸汽接觸的管道應(yīng)選用鈦材，與二次蒸汽冷凝水接觸的管道和閥門都選用316L 不銹鋼，其他低溫料液輸送管道和閥門用非金屬管道，以節(jié)約成本。

4.6 工程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

危廢廢水含鈣、鎂、氟等離子，硬度過高，蒸發(fā)時(shí)易造成設(shè)備結(jié)垢、管道堵塞及設(shè)備腐蝕等問題。因此，廢水在進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)前需要除氟除硬，以減少蒸發(fā)時(shí)結(jié)垢、腐蝕導(dǎo)致的停工，實(shí)現(xiàn)裝置的長周期運(yùn)行。采用酸性蒸發(fā)，即蒸發(fā)進(jìn)水pH 控制在3～4，使得廢水中氨氮大部分以銨根離子（NH4+）的形式存在，降低蒸發(fā)出水氨氮值，減輕后續(xù)生化系統(tǒng)脫氮負(fù)荷。

換熱管、強(qiáng)制循環(huán)管內(nèi)物料流速必須滿足不小于2 m/s 的要求，減輕換熱管和管道結(jié)垢，提高換氣器的換熱效果，避免換熱器和管道堵塞。出鹽的分離器晶漿出口配置有鹽腿，循環(huán)時(shí)盡量取上清液，減少已成形晶體不必要的循環(huán)。由于出鹽管道中料液濃度過高，溫度稍微降低就會(huì)有晶體析出，可能導(dǎo)致管道堵塞，所以工程設(shè)計(jì)需要考慮出鹽管、濃縮液的防堵措施。

5 結(jié)論

相比單一蒸發(fā)工藝，本組合工藝充分利用MVR能耗低，三效蒸發(fā)濃縮倍數(shù)高、抗波動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，具有綜合能耗低、處理效率和濃縮倍數(shù)高、防堵、殘液量小等優(yōu)點(diǎn)。它通過對不同蒸發(fā)工藝進(jìn)行組合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，使蒸發(fā)裝置能長周期運(yùn)轉(zhuǎn)，它是一種較好的高鹽、高COD 危廢廢水物化預(yù)處理技術(shù)。