機(jī)械蒸汽再壓縮處理高鹽有機(jī)廢水進(jìn)展

本文綜述了高鹽有機(jī)廢水的危害及處理方法，分析了機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）的原理、設(shè)備和優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合文獻(xiàn)闡述了去除指標(biāo)和達(dá)標(biāo)排放的案例，著重介紹了MVR高鹽有機(jī)廢水的技術(shù)問題和解決方、能耗和成本，為工程指導(dǎo)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析提供了參考。

引言

含鹽廢水是指質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少為1%總?cè)芙夤腆w（TDS為10OOOmg/L）的廢水，高鹽廢水的TDS為35OOOmg/L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%），部分高鹽廢水中TDS甚至高達(dá)100000-600OOOmg/L。高鹽廢水含有大量可溶性的無機(jī)鹽，如Cl-，SO2-4、Na+和Ca2+，Mg2+等，部分工業(yè)有機(jī)高鹽廢水中還含有Cu2+，Zn2+，Pb2+，Cr2+，Cd2+等金屬離子，是目前難處理的廢水之一。高鹽有機(jī)廢水的化學(xué)耗氧量COD高達(dá)幾千、幾萬甚至十幾萬mg/L，其中的高濃度無機(jī)鹽和難降解有機(jī)物排放會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，對(duì)土壤及地表水、地下水造成破壞。

1 MVR簡(jiǎn)介

常見處理高鹽廢水的方法有化學(xué)法、生物法和物理法。化學(xué)法有離子交換、電解和微電解、氧化等。鄭常春等各種氧化技術(shù)的投資成本低，但是運(yùn)行成本普遍較高。生物法有好氧法和厭氧法。施帥帥等的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鹽度增大時(shí)，生物法處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題：處理時(shí)間加長(zhǎng)，去除率明顯下降。物理法有膜分離和蒸發(fā)，膜分離成本較高，目前應(yīng)用廣泛的脫鹽技術(shù)是蒸發(fā)。機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）是節(jié)能型的技術(shù)，自世界能源危機(jī)以來越來越受重視。2007年MVR技術(shù)引入中國后，已被廣泛應(yīng)用于乳品行業(yè)，食品加工和廢水處理等領(lǐng)域。

天津科技大學(xué)探尋了MBR法在高鹽廢水處理中的應(yīng)用，其主要研究目的是探尋梯度增加鹽度的自然化污泥和穩(wěn)定鹽度投加嗜鹽菌生物的強(qiáng)化馴化污泥對(duì)MBR（膜生物反應(yīng)器）的影響。梯度加鹽自然馴化的活性污泥適用于低負(fù)荷的含鹽污水處理，而穩(wěn)定鹽度投加嗜鹽菌生物強(qiáng)化馴化的活性污泥，適用于高負(fù)荷的含鹽廢水處理

1.1 基本原理

MVR技術(shù)在1917年發(fā)明，臺(tái)MVR設(shè)備在奧地利被設(shè)計(jì)安裝。其原理是料液經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽，經(jīng)分離器分離后再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，從而提高壓力、升高溫度、增加熱燴，然后作為加熱蒸汽循環(huán)使用的技術(shù)，充分利用了蒸發(fā)過程中產(chǎn)生二次蒸汽的冷凝潛熱，從而減少蒸發(fā)濃縮過程對(duì)外界能源需求。蒸發(fā)器分離出來的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，溫度壓力升高，熱燴增大，然后進(jìn)入加熱室冷凝并釋放潛熱，受熱的料液得到熱量后汽化產(chǎn)生二次蒸汽經(jīng)分離后進(jìn)入壓縮機(jī)，重復(fù)上述操作，完成液通過結(jié)晶罐結(jié)晶，后經(jīng)離心機(jī)去除各類鹽。整個(gè)過程主要向壓縮機(jī)提供電能，省去了蒸汽和冷卻水的能源消耗。

1.2 主要設(shè)備

MVR的主要設(shè)備包括預(yù)熱器、蒸汽壓縮機(jī)、汽液分離器和蒸汽換熱器等。（1）進(jìn)入預(yù)熱器的待蒸發(fā)溶液一般為20250C，在預(yù)熱器中用列管式換熱器將原料液預(yù)加熱，管程內(nèi)為物料、殼程內(nèi)為蒸汽，殼程內(nèi)配有多個(gè)折流板，增加擾動(dòng)強(qiáng)化傳熱，采用強(qiáng)制循環(huán)軸流泵做動(dòng)力，使物料循環(huán)蒸發(fā)，提高物料的流速以免換熱管結(jié)垢。（2）蒸汽壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速通常為980rmp-1450rmp為了提高系統(tǒng)內(nèi)二次蒸汽熱燴，由它壓縮二次蒸汽，持續(xù)向系統(tǒng)提供蒸汽。壓縮機(jī)有離心式壓縮機(jī)和羅茨式壓縮機(jī)兩種，離心式壓縮機(jī)屬于葉片式風(fēng)機(jī)，適合蒸發(fā)量較大但物料沸點(diǎn)升高不大的情況。茨式壓縮機(jī)屬于容積式風(fēng)機(jī)，適用于蒸發(fā)量較小但沸點(diǎn)升高較大的情況。（3）汽液分離器主要用于將濃縮液體和蒸汽分離，在蒸發(fā)中還起到物料沉降和晶體生長(zhǎng)的作用。（4）換熱后原液通過進(jìn)料泵裝入蒸汽換熱器，溫差20℃以上并且與蒸汽壓縮機(jī)產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行換熱，使其汽化蒸發(fā)，換熱器的形式可根據(jù)原液的特性選擇。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)只有在開車時(shí)需要少量蒸汽，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后可以不需要蒸汽或僅需極少量的蒸汽用以補(bǔ)充熱平衡。整個(gè)系統(tǒng)能耗主要是壓縮機(jī)的電耗，運(yùn)行費(fèi)用大幅下降。整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)加熱室，不需要冷凝器，無需冷卻水，節(jié)省了設(shè)備投資和動(dòng)力消耗。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，占地面積小。用電代替蒸汽，節(jié)約能源折標(biāo)煤40%-60%左右于熱敏物料的蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不易被破壞。

（2）缺點(diǎn)

機(jī)械蒸汽再壓縮整體設(shè)備較為昂貴，前期投資比較高，造價(jià)約為四效降膜蒸發(fā)器的1.8倍。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行受海拔高度影響，在高海拔地區(qū)耗電較為嚴(yán)重，增加了能耗。生產(chǎn)能力不足，蒸發(fā)不穩(wěn)定，出料濃度的干物質(zhì)含量不穩(wěn)定。

2 MVR在高鹽有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

2.1 技術(shù)問題和解決策略

盡管MVR已經(jīng)發(fā)揮了很好的效果，但是運(yùn)行中仍有許多技術(shù)問題對(duì)運(yùn)行效果有所影響，比如物料物性對(duì)MVR的選擇、沸點(diǎn)升高對(duì)蒸發(fā)的影響、結(jié)垢結(jié)焦問題等。目前的解決策略有：王帥等研究了物料的物性對(duì)MVR性能的影響，并根據(jù)不同物料的物性對(duì)MVR進(jìn)行選擇，對(duì)沸點(diǎn)溫度升高較大的物料，一般采用MVR單效蒸發(fā)；高濃度物料需要使用強(qiáng)制循環(huán)或刮板蒸發(fā)器以防止物料流速太慢而結(jié)焦；熱敏性物料要求停留在蒸發(fā)器內(nèi)的時(shí)間短，若是蒸發(fā)的物料對(duì)溫度的高低有相應(yīng)需求則需考慮蒸發(fā)溫度的高低、蒸發(fā)器的型式與流程。提高蒸發(fā)溫度會(huì)使物料的沸點(diǎn)升高，從而影響蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)。物料中的少量有機(jī)物及鹽導(dǎo)致料液的整體沸點(diǎn)升高，使得在MVR設(shè)計(jì)中要增加換熱器的換熱面積，而在設(shè)計(jì)蒸發(fā)量不變的情況下，還要增加壓縮機(jī)的壓縮比和減少系統(tǒng)總傳熱面積。馬文杰等研究了處理MVR結(jié)垢的方法，分類分析垢樣后，選擇了化學(xué)除垢法。對(duì)碳酸鈣垢用5%一10%的鹽酸加緩蝕劑進(jìn)行溶解去除；對(duì)硫酸鈣垢先用堿處理，再用鹽酸常溫浸泡，除垢率可達(dá)100%；對(duì)于碳酸鈣和硫酸鈣混合垢，用酸和堿交替處理效果較好；1-2天后硅垢變得較為松軟，再用鹽酸加氟化鈉進(jìn)行。

2.2 能耗和成本分析

MVR蒸發(fā)器以消耗電能為主，主要的運(yùn)行成本來源于壓縮機(jī)耗電，廢水的單位處理量和不同的單位電價(jià)對(duì)成本也有相應(yīng)的影響。MVR處理高鹽有機(jī)廢水電費(fèi)和成本如圖2顯示：蒸發(fā)一噸水平均耗電范圍為24-50SOkWh。方健才報(bào)道處理氯化銨廢水，單位處理量為3t/h，年處理時(shí)間7200h，結(jié)果單位廢水耗電46kWh/t，；按照電價(jià)為0.6元/kWh計(jì)，每噸廢水成本為29.6元。葉正茂等報(bào)道硫酸錢廢水（氯離子濃度100000mg/L）處理，單位處理量為3t/h，年處理7920h，結(jié)果顯示單位廢水耗電24kW•h/t，電價(jià)為0.6元/kWh，每噸水成本為14.4元。在張向陽報(bào)道含硫酸鈉廢水處理，蒸發(fā)量為20t/h，單位廢水電量消耗36kWh/t，折14.38kgce/t水，單位電價(jià)為0.75元/kWh，處理噸水成本為34.72元。

3 結(jié)語

今后的蒸發(fā)包括MVR技術(shù)和生物處理組合處理將是高鹽度有機(jī)廢水的應(yīng)用方向，學(xué)者OlivierLefebvre也提出高鹽有機(jī)廢水處理的主要方向?qū)⑹菍⑽锘蜕锛夹g(shù)結(jié)合。筆者更想指出的是在技術(shù)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低成本，也是今后機(jī)械蒸汽再壓縮處理高鹽有機(jī)廢水的發(fā)展方向。

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