热法处理高盐废水新进展

李俊岭

(福陆(中国)工程建设有限公司)

热法处理高盐废水新进展

李俊岭*

(福陆(中国)工程建设有限公司)

在传统的膜法和蒸馏法处理高盐废水的基础上，介绍了热法处理技术的原理，总结了其技术特点，并指出了适用于高盐重度废水处理技术的现状及发展前景。

高盐废水 热法处理 喷雾蒸发 浸没式燃烧蒸发

含盐废水是指含有溶解性固体TDS(Total Dissolved Solid)的质量分数至少达3.5%的废水[1，2]，主要来源为海水、苦咸水的浓缩水，食品加工、化工生产排放的废水以及石油和天然气采集加工过程中产生的高浓度废水。这些废水中除含有微生物、大分子有机物以外，还含有大量的无机盐如Cl-、SO42-、Ca2+、Na+、Mg2+等[3]。常规的处理方法盐水浓度不能太高，因此探究处理高盐废水的新方法迫在眉睫。

1 处理含盐废水的常规方法

常规的膜法如离子交换法，电渗析法和反渗透法在工业生产中应用很多。但是离子交换树脂对给水要求很高，一般来说油含量要低于2mg/L，另外含盐量也不能高于300mg/L[4]，否则生产成本迅速升高。电渗析除盐率一般为50%～90%[5]。反渗透是最早由美国发展起来的，利用压力推动淡化盐水的技术，其处理成本较低，但是渗透膜很容易被污染，一旦被污染，处理能力和渗透膜的寿命也随之降低，膜通量一般都成倍下降[6]，这些不足都会限制膜分离技术在工程上的大规模应用，尤其对于高浓度的盐水更有局限性。

常规的热法有多级闪蒸、多效蒸馏[7]和压气蒸馏，在水处理上应用很广泛，尤其是在中东地区，技术已经成熟[8]，设备的运行以及维护费用少。但是由于这些方法都涉及到废水和热源的间壁式换热，所以很容易结垢腐蚀设备，尤其是处理高浓度的盐水，会对换热系统造成很大的影响，增大能耗，降低生产能力[9]。另外，对于油气田方面的废水，由于成分复杂而且含有原油，油膜会大幅降低传热，使得蒸馏法在油田水处理上受到限制。

常规的生物法处理高盐废水时，耐盐污泥微生物的培养难度较大，周期长，占地面积大，过程参数不易控制[10]，应用于工业生产有一定的限制，因此无论是膜法还是常规的热法以及生物法在处理高浓度废水上都有局限性[11]。

2 几种热法处理高盐废水的特点和进展

2.1喷雾蒸发法(Rapid Spray Evaporation)

喷雾蒸发淡化原理如图1所示，将海水通过喷头呈雾状喷入蒸发室内，与蒸发室内的热空气迅速进行热交换，海水中的水分快速蒸发成为水蒸气，海水由此被浓缩；蒸发过程结束后，水蒸气被空气流带出蒸发室，随后再被冷凝为淡水并予以回收。喷雾蒸发淡化过程中海水的浓缩倍率很高，盐分甚至可以结晶析出。

图1 喷雾蒸发原理示意图

美国Aquasonics公司于2001年推出一项“快速喷雾蒸发”海水淡化方法[12]，将海水以200～300m/s的流速喷入蒸发室，实现盐水常压环境下真空蒸发，在热空气流中迅速变成水蒸气，水蒸气被一组特殊的挡板截留而冷凝，盐分则成为固体颗粒沉积下来，平均算下来生产1t淡水的成本为35美分左右。田凤山采用一种节能喷雾负压蒸馏式海水淡化的方法[13]，在蒸发室内使用闪蒸的方法强化海水雾滴的蒸发，蒸发室内通过一个外接的液位罐维持负压状态，制成一套自动喷雾闪蒸设备。关于喷雾蒸发的研究主要在二次蒸汽的热利用上，美国能源公司2004年推出把二次蒸汽作为多效蒸馏的热源[14]，大大提高了热利用率。成怀刚和高从堦利用低温蒸馏-喷雾蒸发集成工艺[15]，进行高盐水深度淡化的可行性探究，结果表明回收率达到70%以上[16]，同时可以获得固体盐颗粒。

喷雾蒸发没有传热面，更适合于高盐废水，避免了结垢腐蚀换热管。操作压力多为常压，操作温度一般在50～90℃[17]，容易使用低品位热能作为能源，便于应用价廉易得的高分子材料制作设备，从而减少设备投资。理论上可将99%以上的海水转化为淡水且达到零排放。但是喷雾蒸发的二次蒸汽中含有大量的空气(高达50%～90%)，给蒸汽冷凝带来了很大的难度。喷雾蒸发尚处于研究阶段，短期内不适合大规模生产。

2.2增湿-去湿法(Humidification-Dehumidification)

增湿-去湿技术由传统的太阳能蒸馏淡化发展而来。该技术以流动的空气作为水蒸气的载体，蒸发室与冷凝室是分离开的，空气和水直接接触完成增湿过程，然后湿空气进入冷凝室内冷凝，空气和水分离开来，完成去湿过程[18]。

增湿-去湿法操作压力多为常压，操作温度一般70～95℃[19]，很容易使用一些低品位的热能作为热源。由于增湿-去湿过程只是空气与水的一个直接接触增湿过程，不存在间壁式换热，所以适合处理高盐废水，对容易结垢腐蚀的废水尤其适用，也便于应用性能适宜且较廉价的高分子材料制作淡化设备。另外，它与喷雾蒸发原理类似，只是喷雾蒸发用的是热气流，二次蒸汽冷凝不在同一设备内进行，而增湿-去湿法使用的是常温常压的空气，盐水需要经过预热，空气在增湿的过程中同时完成升温过程，蒸发室与冷凝室之间通过隔板隔开并进行传热冷凝[20]。

增湿-去湿法是一种新的水处理技术[21]，生产能力上在短期内还很难与传统的蒸馏法相提并论。不过，它的低温常压操作条件，与低品位热能的耦合显得更节能，若与可再生能源(比如太阳能)结合，发展潜力很大。

2.3露点蒸发法(Dewvaporation)

露点蒸发法在原理上与喷雾蒸发类似，原理如图2所示，是一种特殊的增湿-去湿法。其不足是：一方面含盐量高时会给预热设备造成压力；另一方面热利用率不高，造水比通常小于3[22]。露点蒸发不需要单独预热空气，它将蒸发室与冷凝室有效地耦合起来，蒸发室内空气与盐水均由下端进入，在上升过程中由凝露室提供冷凝热，来完成空气升温过程，同时空气的含湿量逐渐增加，趋于接近饱和状态完成露点蒸发。二次蒸汽经过管道输送到冷凝室，完成冷凝过程，回收产品水。该过程不涉及到预热等一些管壁换热过程，因此一方面对热的利用率较高，另一方面对于高盐复杂废水很适合，该技术比起传统的蒸馏法生产能力有限，尚在研究阶段，在高难处理废水方面很有前景。

图2 露点蒸发原理示意图

2.4浸没式燃烧蒸发(Submerged Combustion Evaporation)

浸没燃烧蒸发技术是一种无固定传热面的蒸发方式，原理如图3所示。高温烟气与待蒸发液体直接接触进而发生传热传质，传热速率快，热效率高达95%左右[23]，结构简单，尤其适合于易结垢液体的蒸发浓缩、分离，在冶炼、化工、核工业及环保等领域有着广泛的应用，因此该方法从换热方面来看非常适合高含盐废水处理。

图3 浸没式燃烧原理示意图

浸没式燃烧蒸发技术与喷雾蒸发相比，不用加热气体载体，直接得到高温烟气喷到废水中，热利用率高，设备投资小。由于避免了结垢腐蚀，适合处理高含盐污水，只需在蒸发室内壁涂上一层防腐蚀材料即可。另外，由于烟气成分多占比例大，使得蒸汽分压较低，液体的沸点下降，一般在86～88℃，在常压下实现了减压蒸发。

由于燃烧导致烟气温度较高，对废水中的有机物氧化效果较好。许玉东等尝试将二级浸没式燃烧蒸发设备应用于在垃圾填埋场渗滤液，实际运行稳定，渗滤液COD由4000～6000mg/L下降到30～60mg/L[24]，得到的含固率在40%以上。该装置设备运行和维护成本均相对较低，因此高盐SCE技术在处理高盐废水方面是大有发展潜力的。

2.5水中焚烧式蒸发(Water Blaze Evaporation)

美国Water Maze公司1994年在浸没式燃烧蒸发的基础上，对燃烧管道进行改进，实现了水中焚烧式蒸发[25]。把含有90%以上水分且很难净化处理的工业废水，直接喷射在燃烧的火焰中，使废水中所含的挥发性有机物质(VOC)和各种污染物在1 050℃的超高温下氧化燃烧，分离出纯水和单体化合物。氧化燃烧后的碳化粉末和固形物则通过下端的污泥仓和排放装置另行分离，并由此大幅降低了废水处理费用[26]。

水中焚烧式蒸发技术在兼具浸没式燃烧蒸发所有优点的基础上，热效率高达99.9%[27]，可以处理膜、生化法以及物化法等工艺难以处理的高浓度废水，实现零排放，做到真正根除一切废水。但是该方法所用的燃料为LNG和LPG，虽然结构简单，设备投资小，但是燃料投资高，造成生产成本升高，而且由于燃料的限制，目前每天加工废水能力仅12t。该技术尤其适合处理高含盐油田污水，做到根除有机物、溶解盐等。在重度废水处理上已经成功得到应用。

3 处理技术特点比较

综上所述，处理高盐重度废水的方法各有异同点，主要的不同是热源特点和性质，但是传热形式是一致的，都是废水与热气流的直接接触换热蒸发。喷雾蒸发、增湿-去湿、露点蒸发不是传统意义上的换热蒸发技术，而是涉及到气液平衡蒸发的一种新颖的淡化技术；浸没式蒸发与水中焚烧式蒸发是通过燃料燃烧来提供高温热载体，与废水直接接触换热蒸发的过程。由于与废水的直接接触,而且烟气温度较高可以使大分子有机物降解，与生物法处理高盐废水中有机物相比，结构、操作简单，周期短，处理效果好，占地面积小，操作容易控制，使得它们都非常适合于处理高浓度难处理废水，而且可以得到淡水兼固体产品盐，实现污水处理的零排放。

4 结束语

热法处理技术与传统的蒸馏法和膜法技术相比，无传热面，避开了预处理难度大的问题；避免了高盐废水的结垢和腐蚀问题，可以减少设备投资；直接接触式换热提高了热利用率，浓缩倍率高等优势使得这些热法在处理高盐废水领域具有广阔的发展前景。但是热法处理所得二次蒸汽中含有大量的不凝气体，对于蒸汽传热传质的研究提出了新的课题。

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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

* 李俊岭，男，1973年2月生，工程师。上海市，201103。

TQ028

A

0254-6094(2016)02-0140-04

2015-05-25，

2016-03-07)

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