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。近年來，排放污水回用等生產(chǎn)理念的推廣，對污水處理及深度提出進一步要求。傳統(tǒng)的物化、生物處理方法處理高濃度難降解廢水時，處理工藝冗長且復(fù)雜。另外，對于高鹽度廢水，因微生物而不能生存而使生物處理法收到限制，或者需要引進大量淡水進行吸收達到微生物可以耐受的限制后，采用生物處理。近幾年來，在高濃度及/或高鹽度廢水處理領(lǐng)域，蒸發(fā)技術(shù)開始逐漸受到關(guān)注，為長久以來困擾著環(huán)保工作者的難題找到了一個可探索、證實的答案，并已有一定應(yīng)用。今天我們對蒸發(fā)在工業(yè)廢水處理的發(fā)展及應(yīng)用做簡要介紹。

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))之間的沸點差異，通過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)分離的過程。經(jīng)過蒸發(fā)，沸點高的污染物被留在蒸發(fā)殘液中，而低沸點的水將以冷凝液形式排出。根據(jù)蒸發(fā)的原理，只有當污染物與水沸點差異比較大時，才會有較好的分離效果。否則，污染物會直接蒸發(fā)成為冷凝液的一部分，或者與水產(chǎn)生共沸而進入冷凝液，而導(dǎo)致出水COD升高。因此，對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)器及機械壓縮蒸發(fā)器。本文就多效蒸發(fā)加以敘述。

二、多效蒸發(fā)的設(shè)計

1、多效蒸發(fā)原理

目前蒸發(fā)器的種類很多，就其蒸汽利用角度而言，蒸發(fā)可分為一效至五效。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，除第一效蒸發(fā)采用廠區(qū)新鮮蒸汽為熱源，之后的每一效蒸發(fā)利用前一級產(chǎn)生的二次蒸汽為熱源進行加熱，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，每一級蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽在后一級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。

       多效蒸發(fā)的蒸汽及冷卻水消耗

由上表看出，隨著多效蒸發(fā)級數(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。當蒸發(fā)級數(shù)大于三效時，新鮮蒸汽及冷卻水用量的減少量明顯降低。

在設(shè)計多效蒸發(fā)器時，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，對設(shè)備材質(zhì)的要求會較高。在需要保證一定使用年限的前提下，對于特定廢水蒸發(fā)設(shè)備甚至需要用到鈦材。因此，在采用考慮設(shè)計多效蒸發(fā)時，需考慮設(shè)備投資的經(jīng)濟性對蒸發(fā)級數(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、設(shè)計要點

(1)熱力特性分析

對多效蒸發(fā)系統(tǒng)的熱力特性進行深入分析，識別出影響熱能利用效率的主要因素，如蒸汽壓力、溫度、進料濃度等。

根據(jù)分析結(jié)果，對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，以提高熱能利用率。

(2)蒸發(fā)過程強化

通過改進蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，如采用高效的傳熱元件，增加傳熱面積，提高傳熱效率。

優(yōu)化蒸發(fā)器的操作條件，如合理調(diào)整蒸發(fā)溫度，以降低能耗和提高蒸發(fā)效率。

(3)設(shè)備選型與配置

選擇合適的蒸發(fā)器和輔助設(shè)備，如預(yù)熱器、冷凝器、泵等，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

根據(jù)物料的特性和工藝要求，合理配置設(shè)備，以提高系統(tǒng)的整體性能。

(4)控制系統(tǒng)優(yōu)化

采用先進的控制系統(tǒng)，對溫度、壓力、流量等參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制。

通過自動化和智能化控制，提高生產(chǎn)效率和操作便捷性。

(5)熱能回收利用

將蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽進行回收利用，如用于預(yù)熱進料或加熱其他介質(zhì)，以減少能源浪費。

利用余熱進行預(yù)熱或加熱，進一步提高能源利用效率。

(6)蒸發(fā)方式的優(yōu)化

根據(jù)物料的特性和工藝要求，選擇合適的蒸發(fā)方式，如并流、逆流或錯流等。

通過優(yōu)化蒸發(fā)方式，提高蒸發(fā)效率，降低能耗。

3、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)被用來濃縮工業(yè)廢水回收有價值的成分，或者得到潔凈的冷凝水用以回用。然而在實際應(yīng)用中，冷凝水中常帶有低沸點組分的有機污染物，為達標排放通常在多效蒸發(fā)后設(shè)計生化工藝來進一步去除水中的有機物。

（1）用于高鹽廢水預(yù)處理

該廢水水量小，CODcr約5000~6000mg/L，TDS含量高達30000mg/L，很顯然微生物很難在該高鹽環(huán)境下正常生長。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)進一步處理后回用。通過小試發(fā)現(xiàn)，廢水蒸發(fā)濃縮至10%時，冷凝水中的CODcr降至600~800mg/L，濃液TDS含量約30%。在設(shè)計過程中，采用較為經(jīng)濟、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)垢等問題。蒸發(fā)系統(tǒng)的冷凝液經(jīng)換熱后(低于32℃)，排入MBR池進一步降解，由于進入冷凝液中的有機物大多為低分子易降解有機物，MBR出水經(jīng)過NaCl消毒可達到城市雜用水回用標準。另外，為確保進蒸發(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-板框過濾對蒸發(fā)進水進行預(yù)處理。系統(tǒng)處理流程如下圖所示。 

（2）用于分離、濃縮或回收無機鹽

某工廠產(chǎn)生的高含鹽廢水，其主要成分為15%的氯化鈉溶液，廢水pH值為6~8，廢水COD（化學需氧量）為500ppm，處理量為3t/h。針對這種高含鹽廢水的特性，采用了三效蒸發(fā)器進行處理。

1）主要技術(shù)參數(shù)：

蒸發(fā)量Q=3000kg/h（每小時蒸發(fā)水分3000kg）

實際蒸氣耗量Q=1200kg/h（進氣壓力0.3~0.4MPa）

一效蒸發(fā)器換熱面積S=80m²，真空度P=-0.03MPa

二效蒸發(fā)器換熱面積S=80m²，真空度P=-0.06MPa

三效蒸發(fā)器換熱面積S=80m²，真空度P=-0.085MPa

循環(huán)冷卻水耗量Q=40t/h

冷凝冷卻面積A=240m²

機組總功率P=25kW

機組占地面積為長10m×寬5m×高4m

2)設(shè)備選材：

考慮到廢水對設(shè)備的腐蝕性，在設(shè)備選材上進行了精心選擇，以滿足使用性并盡量節(jié)約成本。具體選材如下：

蒸發(fā)器本體選擇碳鋼重防腐材料，可耐120℃以內(nèi)酸、堿、鹽溶液的腐蝕。

加熱器選擇Ta1鈦管。

冷凝冷卻器列管選用316L不銹鋼。

回收水罐及閃蒸罐選用碳鋼噴涂防腐涂料。

三、多效蒸發(fā)系統(tǒng)運行

1、結(jié)垢防治

工業(yè)廢水通常成分復(fù)雜，對于高濃度有機廢水更是如此。因此，在利用多效蒸發(fā)處理高濃度有機廢水時需進行預(yù)處理，主要需去除水中懸浮物(SS)及浮油。研究發(fā)現(xiàn)當多效蒸發(fā)進水SS及油含量低于5mg/L時，運行一個半月后換熱管上沒有出現(xiàn)明顯污染，而等于5mg/L時，運行72小時即出現(xiàn)輕微污染。另外，根據(jù)水質(zhì)情況，可以在進入蒸發(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。

在實際設(shè)計中多效蒸發(fā)的最后一級換熱器設(shè)計為強制循環(huán)式換熱器。多效蒸發(fā)最后一級換熱器中的液體濃度是最高的，此時溶液晶體容易析出，較易形成垢層。采用強制循環(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、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。當分離室中的泡沫達到一定高度，泡沫中攜帶的重組分有機物或鹽類，易被蒸汽帶出分離室而最終進入冷凝水中。通常對于起泡的廢水投加消泡劑來消除泡沫的影響。然而，對于特定廢水，蒸發(fā)過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。

3、能耗

為有效降低蒸發(fā)能耗，有專家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)器中實現(xiàn)對熱量的分級利用，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，但在運行費用上具有很大優(yōu)勢。

綜上所述，對于高濃度、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)域應(yīng)用廣泛，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)的高濃度有機廢水長流程處理系統(tǒng)相比有一定優(yōu)勢。另外，多效蒸發(fā)還可以作為濃縮手段，回收廢水中有價值的鹽。