1．0 引言

隨著化工、制藥、造紙等行業(yè)的發(fā)展，高濃度難降解廢水一直是廢水處理的難點(diǎn)。近年來(lái)，零排放及污水回用等生產(chǎn)理念的推廣，對(duì)污水處理及深度提出進(jìn)一步要求。傳統(tǒng)的物化、生物處理方法處理高濃度難降解廢水時(shí)，處理工藝冗長(zhǎng)且復(fù)雜。另外，對(duì)于高鹽度廢水，因微生物而不能生存而使生物處理法收到限制，或者需要引進(jìn)大量淡水進(jìn)行吸收達(dá)到微生物可以耐受的限制后，采用生物處理。近幾年來(lái)，在高濃度及/或高鹽度廢水處理領(lǐng)域，蒸發(fā)技術(shù)開(kāi)始逐漸受到關(guān)注，為長(zhǎng)久以來(lái)困擾著環(huán)保工作者的難題找到了一個(gè)可探索、證實(shí)的答案，并已有一定應(yīng)用。本文結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)蒸發(fā)在工業(yè)廢水處理的發(fā)展及應(yīng)用做簡(jiǎn)要介紹。

采用蒸發(fā)技術(shù)處理高濃度廢水主要利用水（溶劑）與污染物（溶質(zhì)）之間的沸點(diǎn)差異，通過(guò)控制廢水在一定溫度、氣壓下發(fā)生表面或內(nèi)部的氣化，將溶劑與溶質(zhì)分離的過(guò)程。經(jīng)過(guò)蒸發(fā)，沸點(diǎn)高的污染物被留在蒸發(fā)殘液中，而低沸點(diǎn)的水將以冷凝液形式排出。根據(jù)蒸發(fā)的原理，只有當(dāng)污染物與水沸點(diǎn)差異比較大時(shí)，才會(huì)有較好的分離效果。否則，污染物會(huì)直接蒸發(fā)成為冷凝液的一部分，或者與水產(chǎn)生共沸而進(jìn)入冷凝液，而導(dǎo)致出水COD升高。因此，對(duì)于特定廢水需采用合適的冷凝水處理工藝，使污水處理系統(tǒng)出水達(dá)到要求。

目前廢水處理中已有應(yīng)用的蒸發(fā)設(shè)備有多效蒸發(fā)器及機(jī)械壓縮蒸發(fā)器。結(jié)合筆者的工作，本文就多效蒸發(fā)加以敘述。

2．0 多效蒸發(fā)

2．1 多效蒸發(fā)原理

目前蒸發(fā)器的種類(lèi)很多，就其蒸汽利用角度而言，蒸發(fā)可分為一效至五效[1,2]。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了減少加熱蒸汽消耗量，可采用多效蒸發(fā)。多效蒸發(fā)將多組蒸發(fā)器串聯(lián)起來(lái)，除第一效蒸發(fā)采用廠(chǎng)區(qū)新鮮蒸汽為熱源，之后的每一效蒸發(fā)利用前一級(jí)產(chǎn)生的二次蒸汽為熱源進(jìn)行加熱，因此，多效蒸發(fā)明顯降低了加熱蒸汽的消耗量。另外，除最后一效蒸發(fā)器，每一級(jí)蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽在后一級(jí)加熱室中作為熱源利用后將成為冷凝水排出，從而大大減少了冷卻水的消耗。

表1多效蒸發(fā)的蒸汽及冷卻水消耗[1]

	單效	雙效	三效	四效	五效
蒸汽(kg/kg)	1.1	0.57	0.4	0.3	0.27
冷卻水(kg/kg)	13.5	6.75	4.5	3.88	2.7

由表1看出，隨著多效蒸發(fā)級(jí)數(shù)的增加，處理單位廢水所需的蒸汽量及冷凝水量遞減。然而，隨著蒸發(fā)效數(shù)的增加公用消耗的減少程度逐漸趨緩，如圖1所示。當(dāng)蒸發(fā)級(jí)數(shù)大于三效時(shí)，新鮮蒸汽及冷卻水用量的減少量明顯降低。

 

在設(shè)計(jì)多效蒸發(fā)器時(shí)，不僅需要考慮降低系統(tǒng)能耗，還需考慮設(shè)備投資及溫差限制的因素。在廢水處理中，尤其當(dāng)多效蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于氯離子含量較高的廢水濃縮時(shí)，對(duì)設(shè)備材質(zhì)的要求會(huì)較高。在需要保證一定使用年限的前提下，對(duì)于特定廢水蒸發(fā)設(shè)備甚至需要用到鈦材。因此，在采用考慮設(shè)計(jì)多效蒸發(fā)時(shí)，需考慮設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)性對(duì)蒸發(fā)級(jí)數(shù)的影響。另外，由于裝置總溫差是一定的，各單效的有效溫差比總溫差小很多，從而導(dǎo)致相同總溫差下，多效蒸發(fā)的生產(chǎn)力要低于單效蒸發(fā)器。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，在目前廢水處理領(lǐng)域中，三效蒸發(fā)應(yīng)用較多。

 

圖1處理單位廢水蒸汽及冷卻水消耗與蒸發(fā)效數(shù)的關(guān)系

2．2 多效蒸發(fā)在廢水處理中的應(yīng)用

在廢水處理中，多效蒸發(fā)被用來(lái)濃縮工業(yè)廢水回收有價(jià)值的成分，或者得到潔凈的冷凝水用以回用。然而在實(shí)際應(yīng)用中，冷凝水中常帶有低沸點(diǎn)組分的有機(jī)污染物，為達(dá)標(biāo)排放通常在多效蒸發(fā)后設(shè)計(jì)生化工藝來(lái)進(jìn)一步去除水中的有機(jī)物。

2.2.1 用于高鹽廢水預(yù)處理

筆者在工作中曾參與高含鹽表面活性劑廢水處理的設(shè)計(jì)。該廢水水量小，CODcr約5000~6000mg/L，TDS含量高達(dá)30000mg/L，很顯然微生物很難在該高鹽環(huán)境下正常生長(zhǎng)。初步論證后，采用蒸發(fā)+生化為主的工藝處理該廢水。蒸發(fā)后幾乎所有鹽分將留在蒸發(fā)濃液中，而大部分冷凝水排出蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)一步處理后回用。通過(guò)小試發(fā)現(xiàn)，廢水蒸發(fā)濃縮至10%時(shí)，冷凝水中的CODcr降至600~800mg/L，濃液TDS含量約30%。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用較為經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的三效蒸發(fā)處理原水。蒸發(fā)器的一效、二效采用降膜換熱器，獲得較高的換熱效率，而第三效加熱室則采用強(qiáng)制循環(huán)換熱器，以克服由被加熱介質(zhì)高濃度而引起的設(shè)備結(jié)垢等問(wèn)題。蒸發(fā)系統(tǒng)的冷凝液經(jīng)換熱后（低于32℃），排入MBR池進(jìn)一步降解，由于進(jìn)入冷凝液中的有機(jī)物大多為低分子易降解有機(jī)物，MBR出水經(jīng)過(guò)NaCl消毒可達(dá)到城市雜用水回用標(biāo)準(zhǔn)。另外，為確保進(jìn)蒸發(fā)系統(tǒng)的SS及CODcr控制在一定范圍內(nèi)以免設(shè)備結(jié)垢及傳熱效率受到抑制，在蒸發(fā)前還設(shè)置了混凝/絮凝-板框過(guò)濾對(duì)蒸發(fā)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理。系統(tǒng)處理流程如圖2所示。

 

圖2三效蒸發(fā)-生化處理高鹽表面活性劑廢水流程

方麗萍等人[4]采用三效蒸發(fā)+生化的組合工藝處理甲硝唑工業(yè)廢水，出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。該工藝首先采用多效蒸發(fā)去除廢水中大部分鹽分和對(duì)微生物有毒且難降解的有機(jī)物。之后采用氨吹脫去除冷凝水中游離氨，水解酸化+A/O去除有機(jī)物。

曹紅等人[9]采用三效蒸發(fā)預(yù)處理高含鹽且CODcr高達(dá)幾十萬(wàn)的農(nóng)藥廢水，不僅有效的去除了廢水中的鹽分，還去除了部分有毒難降解CODcr，為后續(xù)生化處理奠定基礎(chǔ)。

杭州升藍(lán)環(huán)保設(shè)備科技有限公司[2]在07年就已經(jīng)將三效蒸發(fā)用于高濃度廢水綜合治理。對(duì)乙酰氨基酚醫(yī)藥生產(chǎn)廢水采用三效蒸發(fā)技術(shù)處理，CODcr去除去率99.95，CODcr由30g/L降低至0.15g/L，對(duì)乙酰氨基酚回收率達(dá)98%。含鹽量很高的化工染料及中間體生產(chǎn)廢水采用雙相不銹鋼及SS316L為材質(zhì)的三效蒸發(fā)器進(jìn)行濃縮處理，鹽分去除率達(dá)98%~99%，出水CODcr在1000mg/L以下，為后續(xù)處理創(chuàng)造有利條件。多效蒸發(fā)用于垃圾滲瀝液處理，出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，而成分復(fù)雜、毒性高、含鹽量高的母液則采用水泥或?yàn)r青固化處理。

郗金娥等人[10]利用二效蒸發(fā)系統(tǒng)回收醫(yī)藥中間體廢水中的鈉鹽。蒸發(fā)出的冷凝水經(jīng)過(guò)臭氧預(yù)處理后與洗滌廢水、生活污水混合進(jìn)入?yún)捬?好氧生化處理系統(tǒng)及后續(xù)高級(jí)氧化系統(tǒng)，最終出水達(dá)標(biāo)排放。

徐鵬等人[11]采用蒸發(fā)-UASB-SBR工藝處理制藥廢水，當(dāng)進(jìn)水CODcr、鹽濃度分別為15000~20000mg/L、40~90mg/L，出水達(dá)到《化學(xué)合成類(lèi)制藥工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2.2.2 用于分離、濃縮或回收無(wú)機(jī)鹽

于永輝等人[3]利用四效蒸發(fā)器處理高鹽高硬度稠油廢水，淡水產(chǎn)率為70%時(shí)，蒸發(fā)器出水總硬度0.1mg/L，SS為1.1mg/L，油含量0.2mg/L，TDS含量20mg/L，達(dá)到熱采鍋爐用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)稠油污水特點(diǎn)，在多效蒸發(fā)器前設(shè)計(jì)預(yù)處理單元除去污水中的油及懸浮物，防止多效蒸發(fā)器和換熱器污染、堵塞。預(yù)處理單元依次為斜板氣浮，核桃殼過(guò)濾器，砂濾器。

鄭賢助等人[5]采用兩效蒸發(fā)回收羧甲基纖維素鈉(CMC)生產(chǎn)廢水中的氯化鈉及羥基乙酸鈉，同時(shí)獲得95%的CODcr去除率。鄭等人采用分步蒸發(fā)，分別在兩次蒸發(fā)中回收氯化鈉及羥基乙酸鈉。第一次對(duì)氯化鈉的回收效率達(dá)到85%，晶體純度較高；第二次蒸發(fā)采用的是第一次蒸發(fā)離心后的鹽母液，回收的羥基乙酸鈉可外賣(mài)提純。

朱壽川[6]報(bào)道了還原-中和-沉淀預(yù)處理+四效蒸發(fā)工藝處理沉釩廢水，系統(tǒng)出水達(dá)到綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)要求。其中，預(yù)處理工藝對(duì)廢水中六價(jià)鉻及五價(jià)釩的去處理均達(dá)98%以上，蒸發(fā)濃縮后的硫酸鹽渣中Na2SO4含量達(dá)到70%以上，可作為生產(chǎn)原料。

續(xù)京等人[7]對(duì)馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行預(yù)處理后，采用四效蒸發(fā)回收潔凈的冷凝液用于生產(chǎn)線(xiàn)回用，而母液則作為有機(jī)肥處置。

趙斌等人[8]采用三效錯(cuò)流降膜及蒸汽噴射熱泵的工藝濃縮氯化銨廢水，不僅回收了氯化銨晶體，還從根本上解決了氯化銨工業(yè)廢水對(duì)環(huán)境造成的氨氮污染。該蒸發(fā)工藝引進(jìn)了蒸汽噴射式熱泵，利用高壓生蒸汽將一效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮后，將低品位的二次蒸汽變?yōu)楦咂肺徽羝麑?duì)一效蒸發(fā)器進(jìn)行加熱，進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。

2．3 多效蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行

2.3.1 結(jié)垢防治

工業(yè)廢水通常成分復(fù)雜，對(duì)于高濃度有機(jī)廢水更是如此。因此，在利用多效蒸發(fā)處理高濃度有機(jī)廢水時(shí)需進(jìn)行預(yù)處理，主要需去除水中懸浮物(SS)及浮油。于永輝等人[3]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多效蒸發(fā)進(jìn)水SS及油含量低于5mg/L時(shí)，運(yùn)行一個(gè)半月后換熱管上沒(méi)有出現(xiàn)明顯污染，而等于5mg/L時(shí)，運(yùn)行72小時(shí)即出現(xiàn)輕微污染。另外，根據(jù)水質(zhì)情況，可以在進(jìn)入蒸發(fā)器前投加一定量的阻垢劑以抑制換熱設(shè)備表面污染的形成。

筆者工作中多效蒸發(fā)的最后一級(jí)換熱器設(shè)計(jì)為強(qiáng)制循環(huán)式換熱器。多效蒸發(fā)最后一級(jí)換熱器中的液體濃度是最高的，此時(shí)溶液晶體容易析出，較易形成垢層。采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，在換熱管表面形成較高的液體流速，以減少晶體沉積的概率。

2.3.2 消泡

一些廢水在蒸發(fā)分離室/罐中易起泡而導(dǎo)致蒸發(fā)冷凝水中攜帶較多的污染物。當(dāng)分離室中的泡沫達(dá)到一定高度，泡沫中攜帶的重組分有機(jī)物或鹽類(lèi)，易被蒸汽帶出分離室而最終進(jìn)入冷凝水中。通常對(duì)于起泡的廢水投加消泡劑來(lái)消除泡沫的影響。然而，筆者實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定廢水，蒸發(fā)過(guò)程中投加酸控制分離室中的廢水pH不小于7，可有效控制起泡。

2.3.4 液膜破裂防治

研究發(fā)現(xiàn)，降膜換熱器內(nèi)液膜常發(fā)生破裂，尤其已在加熱壁面下部形成趕去并出現(xiàn)結(jié)垢（結(jié)晶），導(dǎo)致局部溫度急劇上升而過(guò)熱或燒毀，從而限制了降膜蒸發(fā)器在高鹽有機(jī)廢水方面的應(yīng)用。趙賢廣等人[12]研究了降膜蒸發(fā)過(guò)程中液膜破裂的規(guī)律，并采用50mg/L的表面活性劑2-乙基己醇，有效控制了液膜的破裂。

2.3.5 能耗

為有效降低蒸發(fā)能耗，楊洛鵬[13]提出了將水平管低溫多效蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于廢水處理。通過(guò)將多效水平管降膜蒸發(fā)器和成熟的豎管降膜蒸發(fā)器耦合，能夠在混合式廢水蒸發(fā)器中實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的分級(jí)利用，廢水蒸發(fā)的能耗得到了大幅度降低。多效水平管降膜蒸發(fā)器增加了廢水蒸發(fā)的投資成本，但在運(yùn)行費(fèi)用上具有很大優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于高濃度、高含鹽化工廢水，尤其是含有有毒難降解物質(zhì)的工業(yè)廢水，多效蒸發(fā)技術(shù)正在污水處理領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注，并可有效應(yīng)用于生化難以處理的廢水上，或作為生化預(yù)處理，與傳統(tǒng)的高濃度有機(jī)廢水長(zhǎng)流程處理系統(tǒng)相比有一定優(yōu)勢(shì)。另外，多效蒸發(fā)還可以作為濃縮手段，回收廢水中有價(jià)值的鹽。

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