蒸发组合工艺在危废废水物化预处理中的应用

2022-12-10胡立海

中国资源综合利用 2022年11期

胡立海

（中蓝连海设计研究院有限公司，上海 201204）

随着我国现代工业的高速发展，工业生产过程中排放大量废液，如果不能有效治理，随意排放，会严重污染地下水和土壤，并对人体造成中毒、致癌、致畸、致变等损害，严重危害生态环境和人体健康[1]。目前，工业生产过程中排放的具有毒性、腐蚀性、易燃性、反应性或者感染性的废液已被纳入《国家危险废物名录（2021 年版）》进行管理，各地也新建了大量废液处置中心对这些有毒有害废液进行处理。废液处置中心对不同类型的废液分类储存，然后按各废液的性质采用一定的处理工艺对其进行物化预处理，降低废水的COD 和毒性，提高废水的可生化性，为后续生化处理设施的稳定运行提供保障。

1 危废废水来源及特征

危废废水来源广泛而复杂，其主要来源于化学工业、炼油工业、金属工业、采矿工业和医药行业等[2]，这些废水可根据《国家危险废物名录（2021 年版）》的规定进行分类。危险废物的有害特性不尽相同，且成分也很复杂，故适用于每种危险废物的处置方法不尽相同。

危废处置废水包括含油废水、溶剂废水、含氰废水、含氟废水、重金属废水和废酸碱废水等。这些废水主要有4 个特征。一是COD 含量高。每升废水COD 含量高达几万甚至几十万毫克，未经处理的高浓度COD 废水一旦排入自然水体，就会被水中微生物降解，COD 降解过程会消耗水中大量氧气，导致水体缺氧，破坏水体生态平衡。二是盐浓度高。废水中高浓度的盐分对微生物的增殖有很强的抑制作用，未经驯化的微生物的活性将明显受到抑制，严重影响废水处理效率，难以达到预期的净化效果，加大了废水处理难度。三是毒性大。废水含有氰、酚、重金属等，对微生物产生致畸或致死作用。四是水质不稳定，成分复杂。酸碱度、含盐量、重金属含量差异较大，加大处理难度[3]。总之，危废废水是典型的难生化降解废水，在进生化系统前必须进行预处理，以降低生物毒性和有害物浓度。

2 危废废水物化预处理方法

废水预处理可以减轻后续生化处理的负担，减少废水中对微生物有抑制作用的物质。目前，危废废水物化预处理方法有絮凝沉淀、气浮、离子交换、深度氧化和蒸发浓缩等。在预处理过程中，废水加药较多，且初期盐含量很高，导致预处理后的废水成为高盐、高COD 废水，这些废水成为水处理行业公认的高难度处理废水。行业内对此类废水主要采用蒸发浓缩法，即通过加热将废水中的水和沸点较低的溶剂一同蒸出，使废水中盐分析出，有效去除废水中盐分和其他杂质，满足后续工艺进水要求。

3 蒸发工艺选择

3.1 三效蒸发工艺

三效蒸发工艺分为三种，即顺流蒸发、逆流蒸发与错流蒸发。结合物料性质和项目经验，三效蒸发系统采用混流蒸发，即物料从Ⅲ效进料，经过Ⅰ效后从Ⅱ效出料。这种方式具有诸多优点。一是Ⅱ效出料，温度较高，可避免浓缩液因有机物过多而过于黏稠造成出料堵塞；二是Ⅲ效温度较低，但有机物浓度不高，不会出现堵管现象；三是Ⅲ效进料，Ⅱ效出料，提高了能量利用率，降低能耗。

3.1.1 顺流蒸发

顺流蒸发物料流向同蒸汽流向一致，即从Ⅰ效进料，经过Ⅱ效后从Ⅲ效出料。顺流蒸发能耗低，但末效出料温度较低。物化废水为高盐高COD 废水，浓缩一定倍数后，物料有机物富集，黏度增大，容易结盐堵塞管道，影响设备稳定运行。

3.1.2 逆流蒸发

逆流蒸发物料流向同蒸汽流向相反，即物料从Ⅲ效进料，经过Ⅱ效后从Ⅰ效出料。出料温度高，可以在一定程度上提高黏度，但也带走较多热量，运行成本较高。由于浓缩液含有大量有机物，温度过高会使有机物碳化后与固体盐结合在一起，很难清洗。

3.1.3 错流蒸发

错流蒸发将顺流蒸发与逆流蒸发相结合，兼取两者之长，但是操作复杂。

3.2 MVR 工艺

机械蒸汽再压缩工艺（MVR）是一种节能蒸发技术，它利用蒸发过程中自产的二次蒸汽作为热源，降低外来能源需求。运行时，MVR 系统通过蒸汽压缩机对二次蒸汽进行压缩做功，将电能转换成热能，提高了蒸汽的温度和压力，将乏汽转变为高品位的蒸汽，作为蒸发器的热源，实现了蒸汽潜热的有效利用，极大地降低了废水蒸发的能耗，实现系统的低能耗运行。

蒸汽压缩机是MVR 工艺的核心设备[4]，此工艺的使用受废水沸点温升范围的限制，若废水沸点升高数值掌握不准，选出的压缩机提供的热焓就会偏小，最终导致蒸发能力不足，MVR 系统无法达到目标蒸发量。当废水水质比较复杂时，分离器中出来的蒸汽无法彻底除沫，进入压缩机后会有腐蚀风险。MVR蒸发能耗主要为电耗，它适用于蒸汽成本高而电耗成本较低的项目。根据相关资料[5]，三效蒸发和MVR工艺优缺点对比如表1 所示。分析发现，两种蒸发工艺各有利弊，主要根据废水性质、运行成本与投资费用等，选择蒸发工艺。

表1 三效蒸发和MVR 工艺优缺点对比

4 蒸发组合工艺应用实例

某危废处置中心的废液经前端物化处理，其出水成分复杂（高盐、高COD），需要进行蒸发脱盐，以满足后续进水要求。本项目蒸发装置设计废水处理量为335 t/d，采用MVR 蒸发+错流三效蒸发+单蒸釜组合工艺对废水进行蒸发脱盐，对母液进行深度浓缩，减少母液委外处理量。

4.1 设计水质

危废废水来源广，成分复杂，预处理工艺各不相同，导致进蒸发装置的废水水质变化比较大，故蒸发系统的进水水质在设计时具有较大的取值范围。本项目蒸发系统进水综合水质如表2 所示。

表2 蒸发系统进水综合水质

4.2 工艺流程

进蒸发系统的废水先在一级预热器中与出装置的二次蒸汽凝液换热，被预热的废水继续在二级预热器中与出装置的生蒸汽凝液换热，被加热的废水进入MVR 分离罐，废水在MVR 分离罐内浓缩，MVR 分离罐顶部的蒸汽被压缩机加压升温，加压升温后的二次蒸汽在MVR 加热器中对来自MVR 分离罐底部的浓缩液进行加热，加热后的浓缩液返回MVR 分离罐中进行气液分离，被冷凝的二次蒸汽与进MVR 的废水换热后暂存在蒸发收集池内。MVR 分离罐底部的浓缩废水被送至三效蒸发系统进行蒸发脱盐。

来自MVR 分离罐底部的浓缩废水进入Ⅲ效分离罐，废水在Ⅲ效分离罐内浓缩，被蒸去一定水分后的浓缩液由转料泵送至Ⅰ效分离罐内继续蒸发。Ⅰ效分离罐浓缩后的废水被转料泵送至Ⅱ效分离罐内继续蒸发浓缩，Ⅱ效分离罐底的浓缩液被出料泵送至结晶釜降温结晶，含有结晶盐的废水自流进入离心机进行固液分离，分离盐后的母液一部分返回Ⅱ效分离罐继续浓缩，另一部分母液进入单蒸釜进行减压蒸发，单蒸釜浓缩后的母液排入吨桶，委外处置。Ⅰ效加热器的热源为生蒸汽，Ⅱ效加热器的热源为Ⅰ效分离罐的二次蒸汽，Ⅲ效加热器的热源为Ⅱ效分离罐的二次蒸汽，Ⅲ效分离罐和单蒸釜产生的二次蒸汽被循环水冷却。蒸发组合工艺流程如图1 所示。

图1 蒸发组合工艺流程

4.3 主要工艺参数

蒸发组合工艺主要设备工艺参数如表3 所示。

表3 蒸发组合工艺主要设备工艺参数

4.4 主要设备选型

根据进水量、进水水质与各蒸发设备的操作参数，并结合工程经验，可得到设备选型结果。

4.4.1 MVR 部分

一级预热器换热面积为25 m2，数量为1 台；二级预热器换热面积为25 m2，数量为1 台；MVR 加热器换热面积为800 m2，数量为1 台；MVR 分离罐规格为Φ2 000 mm×5 000 mm，数量为1 台；离心式蒸汽压缩机进气量为8 t/h，其变频电机功率为560 kW，数量为1 台。

4.4.2 三效蒸发部分

Ⅰ效加热器、Ⅱ效加热器、Ⅲ效加热器及冷凝器换热面积均为140 m2，数量均为1 台；Ⅰ效分离罐规格为Φ1 200 mm×5 000 mm，数量为1 台；Ⅱ效分离罐规格为Φ1 200 mm×5 000 mm，数量为1 台；Ⅲ效分离罐规格为Φ1 400 mm×5 000 mm，数量为1 台。水环真空泵最大抽气量为280 m3/h，功率为7.5 kW，数量为1 台；结晶釜容积为6 300 L，换热面积为6.4 m2，数量为4 台；吊袋离心机分离含固相物的粒径大于0.5 mm，机型为PD-1500，功率为22 kW，数量为1 台。

4.4.3 母液单蒸部分

单蒸釜容积为6 300 L，换热面积为6.4 m2，数量为4 台；水环真空泵最大抽气量为165 m3/h，功率为4 kW，数量为1 台。

4.5 设备和管道材质选择

一是与物料接触的换热器、容器材质应采用钛材。结晶釜、单蒸釜材质为碳钢（内衬搪瓷防腐）。转料泵与循环泵材质为钛，进料泵材质为钢衬氟。选择抗酸、抗氯离子腐蚀的材质，避免设备被高盐高COD 废水腐蚀，减少非计划性停车。二是与物料接触的管道、含结晶管道的阀门全部选用钛材，其余选用碳钢衬四氟。与二次蒸汽接触的管道应选用钛材，与二次蒸汽冷凝水接触的管道和阀门都选用316L 不锈钢，其他低温料液输送管道和阀门用非金属管道，以节约成本。

4.6 工程设计注意事项

危废废水含钙、镁、氟等离子，硬度过高，蒸发时易造成设备结垢、管道堵塞及设备腐蚀等问题。因此，废水在进入蒸发系统前需要除氟除硬，以减少蒸发时结垢、腐蚀导致的停工，实现装置的长周期运行。采用酸性蒸发，即蒸发进水pH 控制在3～4，使得废水中氨氮大部分以铵根离子（NH4+）的形式存在，降低蒸发出水氨氮值，减轻后续生化系统脱氮负荷。

换热管、强制循环管内物料流速必须满足不小于2 m/s 的要求，减轻换热管和管道结垢，提高换气器的换热效果，避免换热器和管道堵塞。出盐的分离器晶浆出口配置有盐腿，循环时尽量取上清液，减少已成形晶体不必要的循环。由于出盐管道中料液浓度过高，温度稍微降低就会有晶体析出，可能导致管道堵塞，所以工程设计需要考虑出盐管、浓缩液的防堵措施。