水平横管降膜蒸发在废水处理中的应用

水平横管降膜蒸发在废水处理中的应用

高奇

南京万德斯环保科技股份有限公司

摘要：本文介绍了水平横管降膜蒸发的原理和在废水处理中的应用，该工艺解决了常规处理技术工艺复杂、运行费用高等问题，具有流程简单、占地少、运行费用低等优点。水平横管降膜蒸发出水水质良好，可达标排放，或回中水回用系统；浓液量减少50%以上，实现后端蒸发结晶工序的减量化目的，降低废水零排放的运行成本。

关键词：水平横管降膜多效蒸发浓缩废水处理

0 引言

水资源的短缺和水体污染已严重制约了我国的经济发展、社会进步和人民生活水平的提高，解决水体污染问题非常迫切。特别是煤化工、石油石化、印染、化肥、制药、化工等行业产生的大量高含盐废水和高浓度难降解有机废水，一直是水处理领域的一大难题。基于“无害化、减量化、资源化”的基本原则，将工业废水经深度处理后回用并实现零液体排放（ZLD），是提高水利用率、解决工业废水污染的根本途径。

水平横管降膜蒸在化工、石化冶炼、海水淡化等行业已经得到广泛应用。最早的水平管降膜蒸发技术在1888年就已经出现。后续研究主要围绕在海水淡化领域。近些年随着国家对环保要求力度加大，废水深度处理得到重视，水平管降膜蒸发在废水处理中的应用也逐渐被人们关注。

本文介绍水平横管降膜蒸发的工作原理和特点，并着重介绍其在废水处理中的应用。

1 水平横管降膜蒸发工艺简介

1.1 水平横管降膜蒸发器工作原理

水平管喷淋降膜蒸发器的换热管束水平布置，料液走壳相（管外），蒸汽走管相（管内）。料液输送到蒸发器主体顶部，通过大口径喷嘴系列以喷淋的方式均匀布水，整个换热管束外面保持湿润薄膜并与管内蒸汽换热，以薄膜蒸发，加热蒸汽在管内被冷凝。蒸发器主体下方设有热井，用以收集浓缩液作循环喷淋用。蒸发器主体有非常充分的液/气分离面积和分离高度，并且除雾系统有自动清垢设施，可以保证长时期蒸发量和出水水质稳定。采用多效蒸发时，上一效的再生蒸汽作为下一效的加热蒸汽，最终效的再生蒸汽进入主冷凝器冷凝；采用MVC/TVC蒸发时，再生蒸汽经压缩机加压后循环至换热管内冷凝成蒸馏水，同时释放潜热加热管外的进料水。

图1-1 水平管喷淋降膜蒸发器原理示意图

水平管束间液膜的流动形态如图1-2所示，主要有滴状流、柱状流和片状流3种主要流态，另有少量的滴柱状流和柱片状流两种过渡流态。管间流动形式与料液的流率、管间距及料液的性质有关。一般当料液流率相对较低时，液体以滴状形式下落；而在流率相对较高的情况下，液体则以柱状形式下落；当液体流率更高时，液体则会以片状形式下落【1】。

图1-2 水平管束间液膜的流动状态

1.2水平横管降膜特点

水平管降膜蒸发器同其他类型的蒸发器相比有如下特点：

a．传热系数较高；

b．传热温差损失小；

c．适合于处理热敏性物料；

d．可实现多效组工作；

e．操作简便，出现问题容易控制和解决；

f．不宜处理易结晶和易结垢的溶液。

2废水处理技术

2.1预处理技术

高含盐废水及高浓度有机物废水通常含有较高的悬浮物、硬度、硅、重金属及COD等，会造成膜或蒸发器的结垢和污堵，常规采用“混凝/软化/沉淀反应+沉淀+过滤”去除。对于含沙量较大或悬浮物浓度高密度大的情况，可在反应池前增加初沉池（沉砂池）。当后续接RO系统时，通常需增加UF（超滤）/MF（微滤）装置，进一步去除胶体颗粒和大分子有机物，保证RO进水的水质要求。根据实际情况，预处理工艺还包括隔油、高级氧化、脱气和pH调节等操作。

2.2浓缩技术

2.2.1膜浓缩

对于含盐废水TDS较低的工况，宜选择膜浓缩，减少蒸发系统负荷。根据实际运行经验，浓盐水膜浓缩产生的高浓盐水TDS浓度以5~8%为宜，水量约占总排水量的10%左右。这是基于如下考虑：若浓度过低（如低于5%），会造成高浓盐水量增大，增加后续固化处理投资和运行成本；若浓度过高（如大于8%），则会造成浓盐水膜浓缩工段本身投资和运行成本升高。

传统卷式膜无法耐受系统进水高COD工况，浓水侧COD不宜高于300mg/L；浓缩倍数低，耐压等级低，浓水侧最高含盐量不宜高于50000mg/L。对于高硬度、高COD污染的高含盐废水（如RO浓盐水），若采用常规RO浓缩，回收率一般不超过50%，无法满足进一步减量回用的要求。目前部分公司采用NF（纳滤）、HERO（高效反渗透）、EDR（频繁倒极电渗析）、DT/STRO（管式/网管式反渗透）和均相膜ED等先进膜等浓缩技术实现废水的浓缩减量。

2.2.2蒸发浓缩

蒸发浓缩系统可将进水TDS浓缩到10%~30%甚至更高，使得大部分盐分处于近饱和状态，浓缩程度根据处理水质水量进行确定。根据蒸发形式的不同，蒸发器可分为两大类：一是循环型（非膜式）蒸发器，包括中央循环管式（标准式）蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、强制循环蒸发器；二是单程型（薄膜式）蒸发器，包括升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、升降膜式蒸发器。工业废水处理中常用的蒸发器主要是降膜蒸发器（立管或卧管）和强制循环蒸发器两种；根据二次蒸汽利用方式的不同，又分为多效蒸发（MED）和机械/热力蒸汽压缩蒸发（MVC/TVC）。

具体工程中，蒸发结晶系统设计的关键在于：根据废水的结垢倾向和浓缩后粘度情况，决定采取降膜蒸发还是强制循环蒸发，采用晶种式还是非晶种式；根据项目的电源和汽源等条件决定采用MED还是MVC/TVC或是二者组合设计；根据浓缩液或结晶盐的处置方式决定最终浓缩程度或结晶方式。

表2-1 立管降膜蒸发器与水平管喷淋降膜蒸发器比较【2】

    立管降膜蒸发器的突出优点是扛结垢性强、占地面积小，但设备很高，不便日常维护，对垂直度要求极高，操作不当容易结垢，管内结垢难清洗；水平管喷淋降膜蒸发器虽然占地面积大，扛结垢不如立管降膜蒸发器，但其传热效率高，设备造价较立管降膜蒸发器低，可设置在线清洗，管外结垢容易清除，对水平度的要求并不苛刻，便于日常维护。

水平管降膜蒸发器一般需要采用大阻力的喷头形式进行布液，这样才可形成较好的水膜。但采用此方式配水，处理液中最好不夹带颗粒性的无机盐晶体，否则喷头很难配水均匀且很容易堵塞，故水平管降膜蒸发器不宜采用“晶种法”防结垢。但由于水平管式降膜蒸发器主要是管外结垢，故可设置在线清洗，如在管与管之间插入高压水枪来清垢，或通过毛刷等机械装置实现自动清洗。

3水平横管降膜蒸发在废水处理中的应用

3.1恒益电厂脱硫废水项目（20 m³/h）

恒益电厂系统设计处理量为20m³/h，总投资约6000万元，系统处理流程见图3-1，预处理系统为常规处理，以除去悬浮物，系统采用美国卧式薄膜喷淋MVC蒸发／结晶处理系统，出水回用至电厂工业用水【3】。

图3-1 恒益电厂脱硫废水处理系统工艺流程

该系统运行的能耗相对较低，处理1t废水，耗电20~25KW.h，消耗蒸汽50~60kg。但是，由于蒸发系统进水未经软化处理，水质结垢倾向严重，日常运行除垢次数较多。此外，产生的结晶固体盐含有重金属成分，需按照固体废物处理，处理费用高。目前该电厂正在实施改造，增加了预处理软化系统以解决上述问题。

3.2韶关高盐（高氨氮）废水蒸发浓缩项目(200吨/天)

该项目有两股废水，其中一股废水含有盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐的钠盐或铵盐，总盐分浓度在5-10%左右，同时可能含有少量的钙盐。另一股废水为高氨氮废水，来源于利用含铜蚀刻废液生产的碱铜和硫酸铜的过程，其含有大量的氯化铵和氯化钠。两股废水的成分见表3-1。

表3-1 废水成分表

该项目采用三效强制循环蒸发为主要工艺，其中前两效采用水管管降膜蒸发器，第三效采用强制循环蒸发器。对上述废水分别进行蒸发浓缩，最终产物为蒸馏水和盐（氯化铵或混合盐泥）。工艺流程图见图3-2.

图3-2 三效蒸发流程图

3.3山西永济电厂脱硫废水处理项目（50t/h）

本项目为电厂脱硫废水零排放项目，处理规模1200t/d。本工艺采用“MVC水平管降膜蒸发+MED-TC负压低温二效强制循环蒸发系统”进行脱硫废水蒸发浓缩结晶出盐，大大降低系统的能耗。蒸馏水合格排放，固体打包外运，母液回流到原液池参与下次蒸发，系统实现零排放，工艺流程图见图3-4。

图3-4 工艺流程图

3.4台山市生活垃圾填埋场渗滤液MVR蒸发器处理项目（50t/d）

垃圾渗滤液是垃圾在堆放和填埋过程中由于压实、发酵等生物化学降解作用，同时在降水和地下水的渗流作用下产生一种高浓度有机或无机成份的液体。渗滤液成分复杂，有机物质量浓度高，氨氮质量浓度高，渗滤液水质波动大。

表3-2 进出口水质参数

垃圾渗滤液经过自动反冲过滤器，将较小的杂质去除后，滤液经过热交换器与排出系统的蒸馏水及浓水进行热交换，再经过排气热交换器，然后经过脱气塔，把一些易溶于水的气体去除，最后进入蒸发主体。蒸发器采用水管平降膜强制循环蒸发器，将废液进行浓缩蒸发。蒸发的冷凝液进一步进入离子交换器进一步处理达标后排放。

图3-5 工艺流程图

4结语

上述几个项目采用水平横管降膜蒸发浓缩技术进行废水的浓缩，降低设备投资的同时也减少了设备运行成本。水平横管降膜蒸发浓缩技术虽然对进水水质尤其是硬度指标要求较高，只适用于废水的浓缩，具有一定的局限性，但针对低盐低硬度废水浓缩具有较好的经济性。在实际的工程应用中需根据原水水质特点，灵活选择蒸发浓缩的工艺。

参考文献：

【1】路慧霞,马晓建. 水平管外降膜蒸发的传热实验[J];化工进展;2009年02期.

【2】刘治川;三倍浓缩顺流低温多效海水淡化工艺的模拟与优化[J];中国给水排水;2018年11期.

【3】张利权,汪岚,胡治平.火电厂1GW机组废水零排放方案研究[J].水处理技术,2015,3(41):122-124.

1