MVR蒸发技术在废水处理中的应用研究

随着环境污染和水资源短缺的加剧，对于工业废水的排放要求日趋严格，常规的废水处理技术已无法满足高难废水的处理要求，尤其高含盐、高有机物、高毒性的难降解废水的有效处理仍然是个难点。在国外，研究者们成功地将机械蒸汽压缩蒸发技术应用于废水处理行业，且目前已发展成为一项成熟的技术。国内的MVR技术起步较晚，早期以引进国外成套设备为主；随着设备开发和研究的深入，国内企业也逐渐掌握了该技术，但应用领域多为化工、食品及海水淡化行业，在废水处理领域的工程应用较少。

叶作铝报道韶关冶炼厂采用以“预处理软化+MVR降膜蒸发器蒸发+强制循环蒸发结晶+离心干燥包装工艺”为主体的工艺技术处理冶金废水，实现了废水零排放的目标。王明波等将“电渗析+MVR”组合工艺成功应用到制药企业的高盐废水处理中，实现了高盐高氨氮废水的资源化。徐超等设计的“SWRO+MVR”工艺处理净水厂浓盐水，并完成了零排放设计工程化。另外，区藏器等对MVR蒸发技术在垃圾渗滤液处理方面的工程应用进行了报道和研究。目前，MVR蒸发技术在废水处理方面的应用取得了一定的进展，但在工程实用中依然需要进一步的推广和技术研发。

本研究采用MVR蒸发技术，利用卧式降膜蒸发装置，分别对高盐废水、焦化废水RO（反渗透）浓缩液以及垃圾渗滤液NF（纳滤）浓缩液进行中试处理实验，获取相关技术参数，为工程化提供设计依据。

1.1 MVR工艺流程

MVR是通过机械蒸汽压缩机对蒸发器产生的二次蒸汽进行压缩，使蒸汽的压力和温度得到提升并作为补充或加热蒸汽再次送入蒸发器内的工艺。此种模式能够充分利用二次蒸汽的潜热，最大限度地减少蒸发过程的能耗。相比于其他技术，MVR具有能耗低、效率高以及产水水质好等特点，具有一定的技术优势。

中试实验采用MVR工艺对废水进行浓缩处理，具体工艺流程见图1。原水经过预热进入蒸发器，由循环泵送至喷淋装置在换热管上形成液膜，从上到下均匀落至每层换热管，并与管内经压缩机升温升压的二次蒸汽完成热量交换，浓缩液按设定的浓缩比连续出料。装置运行初期热量由电蒸汽发生器提供，待系统稳定后，无需额外的热源。

1.2 实验装置

中试装置主要包括原料罐、冷凝水罐、中间罐、预热器、尾气冷凝器、浓水冷却器、进料泵、循环泵、真空泵、冷凝水泵、电蒸汽发生器、卧式降膜蒸发器和蒸汽压缩机。其核心设备为卧式降膜蒸发器、蒸汽压缩机以及循环泵。

1.2.1 卧式降膜蒸发器

卧式降膜蒸发器液体在加热表面分布成膜状形式，没有液体静压和过热区的影响。与立式直管降膜蒸发器及多级闪蒸干燥器相比，卧式降膜蒸发器具有传热系数高、温度损失低、溶液分布均匀、操作稳定性好等优点，可显著降低空间高度，使其便于组成塔式多效蒸发器，节省了液体循环所需能量，并增加了传热有效温差。卧式降膜蒸发器比传统浸没式蒸发器的传热系数高3~5倍，比垂直管降膜蒸发器高1倍左右。本实验选用的卧式降膜蒸发器处理量为3 t/h。

1.2.2 蒸汽压缩机

蒸汽压缩机有罗茨压缩机和离心式压缩机，可根据实际工况选择。中试成套装置采用离心式压缩机，设计温升7 ℃。

1.2.3 循环泵

循环泵采用离心泵，循环比约为7。

2.1 实验水样

选用3种类型废水进行处理实验，分别为配置质量分数2.5%的氯化钠溶液模拟高盐废水、焦化废水RO浓缩液以及垃圾渗滤液NF浓缩液。焦化废水是一种典型的有毒难降解有机废水，废水中的多环芳烃不但难以降解，而且通常还是强致癌物质，对环境造成严重污染的同时也直接威胁人类健康。焦化废水处理及回用工艺一般为：调节+隔油+气浮+A/O生物处理+二沉池+混凝沉淀+活性沙过滤器+UF+NF+RO，本次取水为RO的浓缩液。垃圾渗滤液NF浓缩液取自阿苏卫垃圾填埋场厂，该厂垃圾渗滤液处理工艺为：调节+厌氧+MBR+NF+RO。焦化废水RO浓缩液和垃圾渗滤液NF浓缩液水质情况详见表1。

2.2 实验设计

根据表2，通过控制产品水和浓缩液的比例进行处理实验，在常压蒸发状态下考察装置运行情况，核算能耗指标，并对原水、产品水和浓缩液进行水质检测。由于焦化废水RO浓缩液和垃圾渗滤液NF浓缩液含盐量低于常规的RO浓缩液，将二者浓缩1倍，使其含盐量分别增加到15 420 mg/L和21 600 mg/L左右后，再进行实验，因此实际浓缩倍数为设计值2倍。实验过程中，水量有限，水样采用循环利用的方式，即蒸馏水和浓缩液都回原水罐，以保持原水浓度不变。

对每组设定实验进行采样，水质分析结果见表3。

表3 水质分析结果

表3结果表明，在高盐废水进水质量浓度为2.5%的情况下，采用中试MVR蒸发设备能够实现5.6~11倍的浓缩，即浓缩液中盐的质量分数可达14%~27%；对焦化废水反渗透浓缩液可进行20倍左右的浓缩处理；垃圾渗滤液NF浓缩液的浓缩倍数也可达20倍以上，减量化效果明显。

另外，实验发现，在对焦化废水RO浓缩液以及垃圾渗滤液NF浓缩液进行预浓缩1倍后，水样TDS并未成倍增加，而且随着蒸发过程的进行，原水中的含盐量逐渐减少。在对焦化废水RO浓缩液处理实验中，换热管外表面有白色物质富集，参照原水水质分析，初步推断为氯化钠在换热管外表面出现结晶导致。垃圾渗滤液NF浓缩液的含盐量为10 800 mg/L，其中以碳酸氢根浓度最高，其次为氯离子，钙、镁、碳酸根、硫酸根等的质量浓度分别为77、659、456、556 mg/L，说明垃圾渗滤液NF浓缩液的硬度较高，容易出现结垢现象；实验过程中换热管外壁大约1 h后便可见白色水垢出现。由于NF浓缩原液中大量硬度物质和易分解物质在蒸发过程中形成水垢从水中析出或者分解，造成水样含盐量降低，最终浓缩液含盐量减少到只有NF浓缩原液的40%左右。

取20倍浓缩处理条件下，焦化废水RO浓缩液和垃圾渗滤液NF浓缩液蒸发产生的蒸馏水分别进行水质检测，结果见表4。MVR系统产生的蒸馏水水质良好，焦化废水蒸馏水中钙、镁、钠、钾、硅、硫酸根、碳酸根、氨氮、COD等指标均低于检测线；垃圾渗滤液蒸馏水COD仅为19.6 mg/L，氨氮为2.7 mg/L，含盐量为60 mg/L，高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准中COD 50 mg/L、氨氮5 mg/L的排放要求。图2为垃圾渗滤液NF浓缩液蒸发处理效果对比图。

根据各用电设备功率，计算蒸发吨水的电耗指标，MVR蒸发系统电耗分析见表5。当废水浓缩倍数为20倍的情况下，焦化废水吨水用电最高为25.1 kW·h。若电价同样按0.6元/（kW·h）计算，废水处理每产出1 t蒸馏水的运行成本可控制在15.1元以下，与文献〔14〕报道中管网式反渗透膜（STRO）工艺处理焦化废水运行成本（吨水处理成本10.48元，按最佳水回收率55%折算，产水成本19.05元/t）相比，具有一定的节能优势。

通过对高盐废水、焦化废水RO浓缩液以及垃圾渗滤液NF浓缩液处理实验结果进行分析，MVR蒸发技术可实现对以上废水进行10～20倍浓缩处理，减量化效果明显；蒸馏水出水水质良好，满足排放或回用要求；另外系统每蒸出1吨蒸馏水的能耗在20.8~25.1 kW·h之间，相较于STRO处理工艺处理成本更低，因此采用MVR卧式降膜蒸发技术作为废水的深度处理技术是可行的。该技术应用灵活、耗能低，针对不同的废水处理要求，既可单独作为处理单元完成废水的减量处理，又可与其他技术相配合处理高难废水，值得深入研究和推广应用。比如“零排放工艺”，可将预处理、MVR蒸发、结晶及干燥等多处理单元进行组合，最终实现水资源和固体物质的回收利用。

在高含盐、高COD废水的处理过程中，会出现泡沫和结垢现象，因此需要完善预处理工艺，通过沉淀法去除废水中易结垢物质，并投加有效的消泡剂、阻垢剂等以保证蒸发系统长期稳定的运行。另外在工程化应用中，还需根据处理介质的物性，对工艺参数、设备材质和结构进行设计优化，以提高系统效率，减少设备投资，降低运行成本。转自工业水处理  作者：田玲