李俊嶺

(福陸(中國)工程建設有限公司)

熱法處理高鹽廢水新進展

李俊嶺*

(福陸(中國)工程建設有限公司)

在傳統(tǒng)的膜法和蒸餾法處理高鹽廢水的基礎上，介紹了熱法處理技術的原理，總結了其技術特點，并指出了適用于高鹽重度廢水處理技術的現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

高鹽廢水 熱法處理 噴霧蒸發(fā) 浸沒式燃燒蒸發(fā)

含鹽廢水是指含有溶解性固體TDS(Total Dissolved Solid)的質量分數(shù)至少達3.5%的廢水[1，2]，主要來源為海水、苦咸水的濃縮水，食品加工、化工生產(chǎn)排放的廢水以及石油和天然氣采集加工過程中產(chǎn)生的高濃度廢水。這些廢水中除含有微生物、大分子有機物以外，還含有大量的無機鹽如Cl-、SO42-、Ca2+、Na+、Mg2+等[3]。常規(guī)的處理方法鹽水濃度不能太高，因此探究處理高鹽廢水的新方法迫在眉睫。

1 處理含鹽廢水的常規(guī)方法

常規(guī)的膜法如離子交換法，電滲析法和反滲透法在工業(yè)生產(chǎn)中應用很多。但是離子交換樹脂對給水要求很高，一般來說油含量要低于2mg/L，另外含鹽量也不能高于300mg/L[4]，否則生產(chǎn)成本迅速升高。電滲析除鹽率一般為50%～90%[5]。反滲透是最早由美國發(fā)展起來的，利用壓力推動淡化鹽水的技術，其處理成本較低，但是滲透膜很容易被污染，一旦被污染，處理能力和滲透膜的壽命也隨之降低，膜通量一般都成倍下降[6]，這些不足都會限制膜分離技術在工程上的大規(guī)模應用，尤其對于高濃度的鹽水更有局限性。

常規(guī)的熱法有多級閃蒸、多效蒸餾[7]和壓氣蒸餾，在水處理上應用很廣泛，尤其是在中東地區(qū)，技術已經(jīng)成熟[8]，設備的運行以及維護費用少。但是由于這些方法都涉及到廢水和熱源的間壁式換熱，所以很容易結垢腐蝕設備，尤其是處理高濃度的鹽水，會對換熱系統(tǒng)造成很大的影響，增大能耗，降低生產(chǎn)能力[9]。另外，對于油氣田方面的廢水，由于成分復雜而且含有原油，油膜會大幅降低傳熱，使得蒸餾法在油田水處理上受到限制。

常規(guī)的生物法處理高鹽廢水時，耐鹽污泥微生物的培養(yǎng)難度較大，周期長，占地面積大，過程參數(shù)不易控制[10]，應用于工業(yè)生產(chǎn)有一定的限制，因此無論是膜法還是常規(guī)的熱法以及生物法在處理高濃度廢水上都有局限性[11]。

2 幾種熱法處理高鹽廢水的特點和進展

2.1噴霧蒸發(fā)法(Rapid Spray Evaporation)

噴霧蒸發(fā)淡化原理如圖1所示，將海水通過噴頭呈霧狀噴入蒸發(fā)室內，與蒸發(fā)室內的熱空氣迅速進行熱交換，海水中的水分快速蒸發(fā)成為水蒸氣，海水由此被濃縮；蒸發(fā)過程結束后，水蒸氣被空氣流帶出蒸發(fā)室，隨后再被冷凝為淡水并予以回收。噴霧蒸發(fā)淡化過程中海水的濃縮倍率很高，鹽分甚至可以結晶析出。

圖1 噴霧蒸發(fā)原理示意圖

美國Aquasonics公司于2001年推出一項“快速噴霧蒸發(fā)”海水淡化方法[12]，將海水以200～300m/s的流速噴入蒸發(fā)室，實現(xiàn)鹽水常壓環(huán)境下真空蒸發(fā)，在熱空氣流中迅速變成水蒸氣，水蒸氣被一組特殊的擋板截留而冷凝，鹽分則成為固體顆粒沉積下來，平均算下來生產(chǎn)1t淡水的成本為35美分左右。田鳳山采用一種節(jié)能噴霧負壓蒸餾式海水淡化的方法[13]，在蒸發(fā)室內使用閃蒸的方法強化海水霧滴的蒸發(fā)，蒸發(fā)室內通過一個外接的液位罐維持負壓狀態(tài)，制成一套自動噴霧閃蒸設備。關于噴霧蒸發(fā)的研究主要在二次蒸汽的熱利用上，美國能源公司2004年推出把二次蒸汽作為多效蒸餾的熱源[14]，大大提高了熱利用率。成懷剛和高從堦利用低溫蒸餾-噴霧蒸發(fā)集成工藝[15]，進行高鹽水深度淡化的可行性探究，結果表明回收率達到70%以上[16]，同時可以獲得固體鹽顆粒。

噴霧蒸發(fā)沒有傳熱面，更適合于高鹽廢水，避免了結垢腐蝕換熱管。操作壓力多為常壓，操作溫度一般在50～90℃[17]，容易使用低品位熱能作為能源，便于應用價廉易得的高分子材料制作設備，從而減少設備投資。理論上可將99%以上的海水轉化為淡水且達到零排放。但是噴霧蒸發(fā)的二次蒸汽中含有大量的空氣(高達50%～90%)，給蒸汽冷凝帶來了很大的難度。噴霧蒸發(fā)尚處于研究階段，短期內不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2增濕-去濕法(Humidification-Dehumidification)

增濕-去濕技術由傳統(tǒng)的太陽能蒸餾淡化發(fā)展而來。該技術以流動的空氣作為水蒸氣的載體，蒸發(fā)室與冷凝室是分離開的，空氣和水直接接觸完成增濕過程，然后濕空氣進入冷凝室內冷凝，空氣和水分離開來，完成去濕過程[18]。

增濕-去濕法操作壓力多為常壓，操作溫度一般70～95℃[19]，很容易使用一些低品位的熱能作為熱源。由于增濕-去濕過程只是空氣與水的一個直接接觸增濕過程，不存在間壁式換熱，所以適合處理高鹽廢水，對容易結垢腐蝕的廢水尤其適用，也便于應用性能適宜且較廉價的高分子材料制作淡化設備。另外，它與噴霧蒸發(fā)原理類似，只是噴霧蒸發(fā)用的是熱氣流，二次蒸汽冷凝不在同一設備內進行，而增濕-去濕法使用的是常溫常壓的空氣，鹽水需要經(jīng)過預熱，空氣在增濕的過程中同時完成升溫過程，蒸發(fā)室與冷凝室之間通過隔板隔開并進行傳熱冷凝[20]。

增濕-去濕法是一種新的水處理技術[21]，生產(chǎn)能力上在短期內還很難與傳統(tǒng)的蒸餾法相提并論。不過，它的低溫常壓操作條件，與低品位熱能的耦合顯得更節(jié)能，若與可再生能源(比如太陽能)結合，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

2.3露點蒸發(fā)法(Dewvaporation)

露點蒸發(fā)法在原理上與噴霧蒸發(fā)類似，原理如圖2所示，是一種特殊的增濕-去濕法。其不足是：一方面含鹽量高時會給預熱設備造成壓力；另一方面熱利用率不高，造水比通常小于3[22]。露點蒸發(fā)不需要單獨預熱空氣，它將蒸發(fā)室與冷凝室有效地耦合起來，蒸發(fā)室內空氣與鹽水均由下端進入，在上升過程中由凝露室提供冷凝熱，來完成空氣升溫過程，同時空氣的含濕量逐漸增加，趨于接近飽和狀態(tài)完成露點蒸發(fā)。二次蒸汽經(jīng)過管道輸送到冷凝室，完成冷凝過程，回收產(chǎn)品水。該過程不涉及到預熱等一些管壁換熱過程，因此一方面對熱的利用率較高，另一方面對于高鹽復雜廢水很適合，該技術比起傳統(tǒng)的蒸餾法生產(chǎn)能力有限，尚在研究階段，在高難處理廢水方面很有前景。

圖2 露點蒸發(fā)原理示意圖

2.4浸沒式燃燒蒸發(fā)(Submerged Combustion Evaporation)

浸沒燃燒蒸發(fā)技術是一種無固定傳熱面的蒸發(fā)方式，原理如圖3所示。高溫煙氣與待蒸發(fā)液體直接接觸進而發(fā)生傳熱傳質，傳熱速率快，熱效率高達95%左右[23]，結構簡單，尤其適合于易結垢液體的蒸發(fā)濃縮、分離，在冶煉、化工、核工業(yè)及環(huán)保等領域有著廣泛的應用，因此該方法從換熱方面來看非常適合高含鹽廢水處理。

圖3 浸沒式燃燒原理示意圖

浸沒式燃燒蒸發(fā)技術與噴霧蒸發(fā)相比，不用加熱氣體載體，直接得到高溫煙氣噴到廢水中，熱利用率高，設備投資小。由于避免了結垢腐蝕，適合處理高含鹽污水，只需在蒸發(fā)室內壁涂上一層防腐蝕材料即可。另外，由于煙氣成分多占比例大，使得蒸汽分壓較低，液體的沸點下降，一般在86～88℃，在常壓下實現(xiàn)了減壓蒸發(fā)。

由于燃燒導致煙氣溫度較高，對廢水中的有機物氧化效果較好。許玉東等嘗試將二級浸沒式燃燒蒸發(fā)設備應用于在垃圾填埋場滲濾液，實際運行穩(wěn)定，滲濾液COD由4000～6000mg/L下降到30～60mg/L[24]，得到的含固率在40%以上。該裝置設備運行和維護成本均相對較低，因此高鹽SCE技術在處理高鹽廢水方面是大有發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

2.5水中焚燒式蒸發(fā)(Water Blaze Evaporation)

美國Water Maze公司1994年在浸沒式燃燒蒸發(fā)的基礎上，對燃燒管道進行改進，實現(xiàn)了水中焚燒式蒸發(fā)[25]。把含有90%以上水分且很難凈化處理的工業(yè)廢水，直接噴射在燃燒的火焰中，使廢水中所含的揮發(fā)性有機物質(VOC)和各種污染物在1 050℃的超高溫下氧化燃燒，分離出純水和單體化合物。氧化燃燒后的碳化粉末和固形物則通過下端的污泥倉和排放裝置另行分離，并由此大幅降低了廢水處理費用[26]。

水中焚燒式蒸發(fā)技術在兼具浸沒式燃燒蒸發(fā)所有優(yōu)點的基礎上，熱效率高達99.9%[27]，可以處理膜、生化法以及物化法等工藝難以處理的高濃度廢水，實現(xiàn)零排放，做到真正根除一切廢水。但是該方法所用的燃料為LNG和LPG，雖然結構簡單，設備投資小，但是燃料投資高，造成生產(chǎn)成本升高，而且由于燃料的限制，目前每天加工廢水能力僅12t。該技術尤其適合處理高含鹽油田污水，做到根除有機物、溶解鹽等。在重度廢水處理上已經(jīng)成功得到應用。

3 處理技術特點比較

綜上所述，處理高鹽重度廢水的方法各有異同點，主要的不同是熱源特點和性質，但是傳熱形式是一致的，都是廢水與熱氣流的直接接觸換熱蒸發(fā)。噴霧蒸發(fā)、增濕-去濕、露點蒸發(fā)不是傳統(tǒng)意義上的換熱蒸發(fā)技術，而是涉及到氣液平衡蒸發(fā)的一種新穎的淡化技術；浸沒式蒸發(fā)與水中焚燒式蒸發(fā)是通過燃料燃燒來提供高溫熱載體，與廢水直接接觸換熱蒸發(fā)的過程。由于與廢水的直接接觸,而且煙氣溫度較高可以使大分子有機物降解，與生物法處理高鹽廢水中有機物相比，結構、操作簡單，周期短，處理效果好，占地面積小，操作容易控制，使得它們都非常適合于處理高濃度難處理廢水，而且可以得到淡水兼固體產(chǎn)品鹽，實現(xiàn)污水處理的零排放。

4 結束語

熱法處理技術與傳統(tǒng)的蒸餾法和膜法技術相比，無傳熱面，避開了預處理難度大的問題；避免了高鹽廢水的結垢和腐蝕問題，可以減少設備投資；直接接觸式換熱提高了熱利用率，濃縮倍率高等優(yōu)勢使得這些熱法在處理高鹽廢水領域具有廣闊的發(fā)展前景。但是熱法處理所得二次蒸汽中含有大量的不凝氣體，對于蒸汽傳熱傳質的研究提出了新的課題。

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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

* 李俊嶺，男，1973年2月生，工程師。上海市，201103。

TQ028

A

0254-6094(2016)02-0140-04

2015-05-25，

2016-03-07)

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