淺談高含鹽廢水的蒸發零排放技術

唐明元

（陜西有色天宏瑞科硅材料有限責任公司，西安 710075）

隨著工業的快速發展，水資源使用和廢水排放問題日趨嚴重。國家和企業雖然花了大力氣和高成本不斷建立污水處理系統，盡量通過中水回用技術和污水處理技術提高水資源利用率和實現達標排放，減輕或消除對環境的不利影響，但是始終未從根本上解決水資源短缺的瓶頸問題和污染物累積的環境污染問題，尤其是高含鹽廢水對江河湖泊、土壤農田等農灌區域的污染和鹽堿化問題。

1970年，美國首次提出了廢水零排放的觀點。美國電力研究中心將廢水零排放定義為：不向地面水域排放任何形式的水（包括排出或滲出），所有離開電廠的水都是以濕氣的形式存在或是固化在灰渣中[1]。我國也于2005年頒布了《中國節水技術政策大綱》，明確提出要發展外排廢水回用和零排放技術[2]。因此，實現工業廢水零排放及回用是大勢所趨。而在廢水零排放中，尤其以高含鹽廢水的零排放最常見、難度也最大，屬于當前急需解決和推廣的熱門技術。

1 高含鹽廢水的來源及組分特點

眾所周知，自然界存在很多礦物鹽，其以晶體或固體形式分布于地表下，受長年累月的雨水沖刷和侵蝕等作用，不斷溶解于水體中，隨著江川河流、地下水，被帶入化工生產過程中。高含鹽廢水主要來源于化工生產用水的不斷濃縮排污和廢水零排放的預處過程，如純水制備系統的再生沖洗水、循環水站蒸發濃縮的排放水、廢水零排放超濾（UF）、電滲析（EDR）、反滲透（RO）等預處理的排放濃水。

化工系統產生的高含鹽廢水源于上述工藝中富集排出的一小部分水或根據生產需要添加使用的各種藥劑，通常具有污染物濃度高（污染物的濃度是原水的4～10 倍）、含可溶性的無機鹽種類多（如典型的鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽、硅酸鹽、磷酸鹽等）、成分復雜、腐蝕性強、處理難度大、危害程度高等特點。

2 高含鹽廢水的危害和處理難點

高含鹽廢水含有大量溶解度很低的無機鹽，若未經處理直接排入江河湖海，勢必會危害水體的自然生態平衡，使水質惡化，導致漁業生產、水產養殖、農業灌溉和工業生產的破壞，嚴重時還會污染地下水和飲用水源，甚至危害耕地，致使土壤發生鹽堿化，阻礙植物生長，因此國家專門制定了《農田灌溉水質標準》（GB 5084-2005），明確要求全鹽含量必須小于1 000 mg/L（非鹽堿土地區）和2 000 mg/L（鹽堿土地區）[3]。

高含鹽廢水是廢水處理行業公認的高難度處理廢水，由于含有高濃度的鹽離子，它具有很強的腐蝕性（氯離子）、較易的結垢性（鈣鎂離子）和較大的溶解性（鈉鹽），同時對微生物還有抑制和毒害作用，因此人們不能簡單地用常規處理技術來處理高含鹽廢水，需利用蒸發結晶技術將水中的溶解鹽進行固液分離，冷凝清潔水回收循環利用，固化結晶鹽填埋處理或回收利用，最終實現零排放。

3 高含鹽廢水的蒸發工藝及技術特點

蒸發技術被廣泛應用于化工、輕工、制藥和食品等行業，近幾年正逐步用于高含鹽廢水的零排放處理過程中，具有較大的發展潛力。按照蒸發方式，其可以分為自然蒸發（溶液在低于沸點溫度下蒸發）和沸騰蒸發（將溶液加熱至沸點，在沸騰狀態下蒸發）兩類。其中，沸騰蒸發目前國內外最為常用，主要有多效蒸發、熱力蒸汽再壓縮蒸發、機械蒸汽再壓縮蒸發以及降膜式機械蒸汽再壓縮循環蒸發等。

3.1 自然蒸發——蒸發塘

蒸發塘是利用太陽能、風能等自然力量蒸發廢水的一種處理方法，是最早用于處理化工高濃鹽水的一種典型自然蒸發技術：將高濃鹽水排入蒸發塘，通過自然蒸發結晶，實現固液分離或濃鹽水減量，以便后續處理利用，減少設備投資和能量消耗，從而大幅度減少廢水處理投資和運行費用。

蒸發塘場址必須選在地域遼闊、氣候干燥、降雨量小、蒸發量大、太陽能充足，且當地多年平均蒸發量為降雨量3～5 倍的地區，受到嚴格的自然條件限制。同時，蒸發塘周邊還必須設置雨水阻斷設施，塘底和塘壁必須做防腐和防滲處理[4]。排入蒸發塘的水質必須滿足國家規范要求，包括含鹽量、有機物、重金屬以及有毒有害物質。

3.2 沸騰蒸發——多效蒸發

多效蒸發，是采用強制加熱實現沸騰蒸發的一種方式：將幾個蒸發器串聯起來，前一級蒸發器產生的二次蒸汽作為后一級蒸發器的熱源，如此循環利用蒸汽，以提高熱能利用效率。每一級蒸發器稱作“一效”，通常多效蒸發的循環蒸發器串聯效數在3～4個，少數多達6 效[5]。當蒸發器的效數增加時，一次蒸汽的用量呈減少趨勢，即可實現節約能源的作用，但蒸發器的效數并不是無限的，也不是越多越好，這取決于二次蒸汽的品質及經濟性能。

3.3 沸騰蒸發——熱力蒸汽再壓縮蒸發

熱力蒸氣再壓縮蒸發是針對多效蒸發消耗大量一次蒸汽的缺點發展起來的，是改進一次蒸汽經濟性的一種經濟實惠技術。其利用熱泵原理，在一效蒸發器前面增設蒸汽噴射壓縮裝置，將一次蒸汽和一效產生的部分二次蒸汽引入蒸汽噴射壓縮裝置。當一次蒸汽經過此蒸汽噴射壓縮裝置時，產生相對的負壓環境，利用此負壓抽吸來自一效加熱室產生的部分二次蒸汽，經蒸汽噴射壓縮裝置混合增壓，提升溫度后再作為一效的加熱蒸汽，以提高熱能利用率，達到減少一次蒸汽消耗的目的。

從結構上看，熱力蒸氣再壓縮蒸發較多效蒸發系統只增加了蒸汽噴射壓縮裝置，設計簡單，沒有活動部件，操作可靠穩定。但從效能上看，使用一臺熱力蒸汽壓縮裝置所節約的能源與增加一效蒸發器所節約的能源相當，即熱力蒸氣再壓縮蒸發比單純的多效蒸發更節能，消耗的一次蒸汽更少。據研究，熱力蒸氣再壓縮蒸發的能耗僅為單效蒸發能耗的78%[6]。在運行過程中，熱力蒸汽再壓縮蒸發仍然需連續供給一定數量的鮮蒸汽。

3.4 沸騰蒸發——機械蒸汽再壓縮蒸發

機械式蒸汽再壓縮蒸發是采用機械壓縮機將蒸發器產生的二次蒸氣強制壓縮，人為提高二次蒸汽的壓力和溫度，增加二次蒸汽的熱焓，然后全部再次回送到蒸發器的加熱室作為加熱料液的熱源，使料液始終維持在沸騰狀態，并不斷蒸發濃縮。加熱蒸汽本身經換熱后冷凝成水排出，作為合格產水使用。料液蒸發的蒸汽再次作為二次蒸汽進入機械壓縮機，提高熱焓品質，再次作為蒸發器的熱源，如此循環往復，周而復始。補充的新蒸汽僅在裝置啟動和運行過程中用于彌補熱損失、進出料的溫差熱焓，正常運行后通常不再需要新蒸氣的供給，其節能效果相當于許多常規蒸發系統。

機械式蒸汽再壓縮蒸發技術最大程度地利用了自身產生的二次蒸汽能量，能源利用率幾乎接近100%，大幅度地降低了新蒸汽的消耗。據研究，能耗僅為單效蒸發能耗的23.8%[6]。

4 高含鹽廢水蒸發技術的難點

目前，高含鹽廢水的蒸發零排放技術已經取得了非常大的突破，并在各個行業和各個區域不斷建設和投用，也取得了顯著的環保效果和經濟效果，但是由于高含鹽廢水的組分特性，高含鹽廢水的蒸發零排放技術存在如下難點。

4.1 運行控制要求高

為了減少加熱蒸發處理的水量，含鹽廢水的預處理階段通常采用膜濃縮技術來提升含鹽廢水濃度，使其保持在50 000～80 000 mg/L，進而顯著降低后續蒸發零排放工段的投資和運行費用。在膜濃縮運行過程中，必須嚴格控制進水的pH、硬度、有機物、膠體懸浮物等，稍有不慎就會造成濃縮膜效率降低，甚至嚴重污染，進而造成較大的損失（濃縮膜不可再生）。

4.2 設備易結垢，效率降低

為了實現零排放，高含鹽廢水在蒸發階段快速濃縮，溶解的大量無機鹽很快達到飽和，在聚集特性的作用下自發形成小晶核，并不斷堆積長大成晶體。在此過程中，部分小晶核附著在蒸發設備壁上，隨著蒸發濃縮的進行，逐步生成水垢，目前，控制結垢的技術已經取得較大進步，晶種法被廣泛應用，即人為添加晶核，讓溶解鹽選擇性地生長在添加的晶核上，從而避免附著在蒸發設備壁上結垢，影響換熱效率。通過此方法，蒸發設備通常能連續運行一年以上，極大地提高了運行效率[7]。

4.3 腐蝕性強，投資大

高含鹽廢水通常含有腐蝕性極強的氯離子，尤其在蒸發濃縮后，氯離子大量聚集，在沸騰溫度的雙重作用下，對蒸發設備的腐蝕性更加強烈。因此，在蒸發設備的設計加工過程中，材質選擇尤為重要，通常選用進口價格高昂的2205、2507、Ti、Ti 合金等特殊材質。據測算，蒸發器及結晶器的噸水投資費用為：進口設備為150～200 萬元/噸水；引進技術，國內制造設備為110～140 萬元/噸水[8]。

4.4 固化鹽處置成本高

目前，采用蒸發零排放技術實現固液分離出來的鹽通常是混鹽，成分較復雜，可能含有一些有毒物質，其性質鑒定非常困難。現階段,蒸發零排放固化下來的混鹽必須按危廢進行處置，成本非常高，每噸處置成本通常在3 000～5 000 元，個別地區更高（5 000～7 000 元），危廢處置費用約占運行總費用的60%[9]。

5 結論

當前，高含鹽廢水的蒸發零排放技術還存在運行成本高、易結垢、腐蝕性大等難點，尤其是固化混鹽必須作為危廢處置，這無形中給企業又增加了巨大的負擔。因此，高含鹽廢水的蒸發零排放技術還需進一步深化，繼續朝分鹽處理方向發展，實現一價鹽和二價鹽的獨立分離固化回收，進而實現真正意義上的無害化和資源化。