一、概述

随着化工、制药、造纸等行业的发展，高浓度难降解废水一直是废水处理的难点。近年来，零排放及污水回用等生产理念的推广，对污水处理及深度提出进一步要求。传统的物化、生物处理方法处理高浓度难降解废水时，处理工艺冗长且复杂。另外，对于高盐度废水，因微生物而不能生存而使生物处理法收到限制，或者需要引进大量淡水进行吸收达到微生物可以耐受的限制后，采用生物处理。近几年来，在高浓度及/或高盐度废水处理领域，蒸发技术开始逐渐受到关注，为长久以来困扰着环保工作者的难题找到了一个可探索、证实的答案，并已有一定应用。今天我们对蒸发在工业废水处理的发展及应用做简要介绍。

采用蒸发技术处理高浓度废水主要利用水(溶剂)与污染物(溶质)之间的沸点差异，通过控制废水在一定温度、气压下发生表面或内部的气化，将溶剂与溶质分离的过程。经过蒸发，沸点高的污染物被留在蒸发残液中，而低沸点的水将以冷凝液形式排出。根据蒸发的原理，只有当污染物与水沸点差异比较大时，才会有较好的分离效果。否则，污染物会直接蒸发成为冷凝液的一部分，或者与水产生共沸而进入冷凝液，而导致出水COD升高。因此，对于特定废水需采用合适的冷凝水处理工艺，使污水处理系统出水达到要求。

目前废水处理中已有应用的蒸发设备有多效蒸发器及机械压缩蒸发器。本文就多效蒸发加以叙述。

二、多效蒸发的设计

1、多效蒸发原理

目前蒸发器的种类很多，就其蒸汽利用角度而言，蒸发可分为一效至五效。在工业生产中，为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发。多效蒸发将多组蒸发器串联起来，除第一效蒸发采用厂区新鲜蒸汽为热源，之后的每一效蒸发利用前一级产生的二次蒸汽为热源进行加热，因此，多效蒸发明显降低了加热蒸汽的消耗量。另外，除最后一效蒸发器，每一级蒸发产生的二次蒸汽在后一级加热室中作为热源利用后将成为冷凝水排出，从而大大减少了冷却水的消耗。

多效蒸发的蒸汽及冷却水消耗

由上表看出，随着多效蒸发级数的增加，处理单位废水所需的蒸汽量及冷凝水量递减。然而，随着蒸发效数的增加公用消耗的减少程度逐渐趋缓，如图1所示。当蒸发级数大于三效时，新鲜蒸汽及冷却水用量的减少量明显降低。

在设计多效蒸发器时，不仅需要考虑降低系统能耗，还需考虑设备投资及温差限制的因素。在废水处理中，尤其当多效蒸发系统应用于氯离子含量较高的废水浓缩时，对设备材质的要求会较高。在需要保证一定使用年限的前提下，对于特定废水蒸发设备甚至需要用到钛材。因此，在采用考虑设计多效蒸发时，需考虑设备投资的经济性对蒸发级数的影响。另外，由于装置总温差是一定的，各单效的有效温差比总温差小很多，从而导致相同总温差下，多效蒸发的生产力要低于单效蒸发器。

相关文献表明，在目前废水处理领域中，三效蒸发应用较多。

图1处理单位废水蒸汽及冷却水消耗与蒸发效数的关系

2、设计要点

(1)热力特性分析

对多效蒸发系统的热力特性进行深入分析，识别出影响热能利用效率的主要因素，如蒸汽压力、温度、进料浓度等。

根据分析结果，对系统参数进行优化，以提高热能利用率。

(2)蒸发过程强化

通过改进蒸发器的结构，如采用高效的传热元件，增加传热面积，提高传热效率。

优化蒸发器的操作条件，如合理调整蒸发温度，以降低能耗和提高蒸发效率。

(3)设备选型与配置

选择合适的蒸发器和辅助设备，如预热器、冷凝器、泵等，确保系统稳定运行。

根据物料的特性和工艺要求，合理配置设备，以提高系统的整体性能。

(4)控制系统优化

采用先进的控制系统，对温度、压力、流量等参数进行实时监测和控制。

通过自动化和智能化控制，提高生产效率和操作便捷性。

(5)热能回收利用

将蒸发产生的蒸汽进行回收利用，如用于预热进料或加热其他介质，以减少能源浪费。

利用余热进行预热或加热，进一步提高能源利用效率。

(6)蒸发方式的优化

根据物料的特性和工艺要求，选择合适的蒸发方式，如并流、逆流或错流等。

通过优化蒸发方式，提高蒸发效率，降低能耗。

3、多效蒸发在废水处理中的应用

在废水处理中，多效蒸发被用来浓缩工业废水回收有价值的成分，或者得到洁净的冷凝水用以回用。然而在实际应用中，冷凝水中常带有低沸点组分的有机污染物，为达标排放通常在多效蒸发后设计生化工艺来进一步去除水中的有机物。

（1）用于高盐废水预处理

该废水水量小，CODcr约5000~6000mg/L，TDS含量高达30000mg/L，很显然微生物很难在该高盐环境下正常生长。初步论证后，采用蒸发+生化为主的工艺处理该废水。蒸发后几乎所有盐分将留在蒸发浓液中，而大部分冷凝水排出蒸发系统进一步处理后回用。通过小试发现，废水蒸发浓缩至10%时，冷凝水中的CODcr降至600~800mg/L，浓液TDS含量约30%。在设计过程中，采用较为经济、节能的三效蒸发处理原水。蒸发器的一效、二效采用降膜换热器，获得较高的换热效率，而第三效加热室则采用强制循环换热器，以克服由被加热介质高浓度而引起的设备结垢等问题。蒸发系统的冷凝液经换热后(低于32℃)，排入MBR池进一步降解，由于进入冷凝液中的有机物大多为低分子易降解有机物，MBR出水经过NaCl消毒可达到城市杂用水回用标准。另外，为确保进蒸发系统的SS及CODcr控制在一定范围内以免设备结垢及传热效率受到抑制，在蒸发前还设置了混凝/絮凝-板框过滤对蒸发进水进行预处理。系统处理流程如下图所示。

（2）用于分离、浓缩或回收无机盐

某工厂产生的高含盐废水，其主要成分为15%的氯化钠溶液，废水pH值为6~8，废水COD（化学需氧量）为500ppm，处理量为3t/h。针对这种高含盐废水的特性，采用了三效蒸发器进行处理。

1）主要技术参数：

蒸发量Q=3000kg/h（每小时蒸发水分3000kg）

实际蒸气耗量Q=1200kg/h（进气压力0.3~0.4MPa）

一效蒸发器换热面积S=80m²，真空度P=-0.03MPa

二效蒸发器换热面积S=80m²，真空度P=-0.06MPa

三效蒸发器换热面积S=80m²，真空度P=-0.085MPa

循环冷却水耗量Q=40t/h

冷凝冷却面积A=240m²

机组总功率P=25kW

机组占地面积为长10m×宽5m×高4m

2)设备选材：

考虑到废水对设备的腐蚀性，在设备选材上进行了精心选择，以满足使用性并尽量节约成本。具体选材如下：

蒸发器本体选择碳钢重防腐材料，可耐120℃以内酸、碱、盐溶液的腐蚀。

加热器选择Ta1钛管。

冷凝冷却器列管选用316L不锈钢。

回收水罐及闪蒸罐选用碳钢喷涂防腐涂料。

三、多效蒸发系统运行

1、结垢防治

工业废水通常成分复杂，对于高浓度有机废水更是如此。因此，在利用多效蒸发处理高浓度有机废水时需进行预处理，主要需去除水中悬浮物(SS)及浮油。研究发现当多效蒸发进水SS及油含量低于5mg/L时，运行一个半月后换热管上没有出现明显污染，而等于5mg/L时，运行72小时即出现轻微污染。另外，根据水质情况，可以在进入蒸发器前投加一定量的阻垢剂以抑制换热设备表面污染的形成。

在实际设计中多效蒸发的最后一级换热器设计为强制循环式换热器。多效蒸发最后一级换热器中的液体浓度是最高的，此时溶液晶体容易析出，较易形成垢层。采用强制循环蒸发器，在换热管表面形成较高的液体流速，以减少晶体沉积的概率。

2、消泡

一些废水在蒸发分离室/罐中易起泡而导致蒸发冷凝水中携带较多的污染物。当分离室中的泡沫达到一定高度，泡沫中携带的重组分有机物或盐类，易被蒸汽带出分离室而最终进入冷凝水中。通常对于起泡的废水投加消泡剂来消除泡沫的影响。然而，对于特定废水，蒸发过程中投加酸控制分离室中的废水pH不小于7，可有效控制起泡。

3、能耗

为有效降低蒸发能耗，有专家提出了将水平管低温多效蒸发技术应用于废水处理。通过将多效水平管降膜蒸发器和成熟的竖管降膜蒸发器耦合，能够在混合式废水蒸发器中实现对热量的分级利用，废水蒸发的能耗得到了大幅度降低。多效水平管降膜蒸发器增加了废水蒸发的投资成本，但在运行费用上具有很大优势。

综上所述，对于高浓度、高含盐化工废水，尤其是含有有毒难降解物质的工业废水，多效蒸发技术正在污水处理领域应用广泛，并可有效应用于生化难以处理的废水上，或作为生化预处理，与传统的高浓度有机废水长流程处理系统相比有一定优势。另外，多效蒸发还可以作为浓缩手段，回收废水中有价值的盐。

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