高含鹽廢水熱力法處理技術的綜述與優選

王瑜， 許越， 曹艷美， 康娜

(1.南京工業大學城市建設學院， 南京 211816; 2.南京航空航天大學航空學院， 南京 210016)

隨著國家工業的不斷發展，生產制造過程中產生的廢水也不斷增加，在各類重要工業領域都產生了大量的高濃度含鹽廢水[1]。據統計，高鹽廢水的產量占總廢水量5%，每年仍以2%的速度增長[2]，而2017年廢水排放總量已達到699.7億t[3]。早期采用稀釋含鹽廢水的方法直接排放，但廢水中的有毒物質和污染物仍然存在，且稀釋含鹽廢水需要消耗更多淡水，不利于節約水資源[4]。因此，科學處理含鹽廢水、回收淡水資源對于緩解用水緊張具有重要意義。

一般認為，高含鹽廢水是指總含鹽(以NaCl含量計)質量分數不低于1%的廢水[5]，其中溶質和有機物的質量分數通常不低于 3.5%[6-7]。含鹽廢水的成分除了常見的無機鹽物質外，還含有諸如導致高化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)等其他多種物質[8]。根據Jones等[9]的估算，2019 年脫鹽廠每天排放的高鹽廢水總量達到了 1.42 億m3，比脫鹽所需水量還多出約50%。含鹽廢水的來源廣泛，除海水淡化過程中產生的高鹽廢水外，循環水處理后形成的廢水也是一個主要來源。近年來，隨著水的循環使用率不斷提高，循環水處理后的排放水也不斷增多，排放水中的含鹽量不斷累積，最終演化成高含鹽廢水。

含鹽廢水直接排放除了會導致水體鹽度驟增以外，其乳化高、成分復雜[10]的特點還會對水體生態環境造成破壞，影響動植物的生長和繁殖。此外，工業廢水中還含有大量重金屬元素和有毒化學物質，影響人的生命健康[11]。高濃度的含鹽廢水的直接排放還會損害污廢水處理系統，導致水處理不達標，增加經濟損失。高鹽廢水成分復雜，排放量大，都對當前的廢水處理技術帶來了極大的挑戰，如何科學高效地回收含鹽廢水成為影響社會與生活的一個重要課題。

1 高鹽廢水的特征與處理的難點

1.1 結垢與腐蝕問題

高含鹽廢水中含有大量無機鹽，這些無機鹽不僅具有強烈腐蝕性，其中的結垢離子遇熱后還將析出并堆積在管壁內部形成污垢，增加設備換熱熱阻，長期運行會導致設備受熱不均，引發設備損壞破裂，影響正常生產過程。

Teng等[12]研究套管式換熱器表面CaCO3沉積速率與液體流速的關系發現，當液體流速在0.15～0.45 m/s范圍內，CaCO3的沉積速率能夠隨流速的增加而減小。Hasan等[13]研究了Na2SO4在換熱器中結晶成垢過程，發現隨著流速的增加，污垢堆積形成的換熱熱阻會逐漸減小。Song等[14]研究了CaCO3和CaSO4混合污垢在板式換熱器換熱表面的沉積過程，研究發現混合污垢的污垢熱阻會隨流速的增大而減小，分析原因主要在于流速的增大會顯著提高污垢剝蝕速率。

為了避免管壁結垢造成的嚴重后果，設備防除垢技術逐漸受到重視，主要的防除垢方法可以分為3類：化學防除垢、物理防除垢以及機械防除垢[15]。不同除垢方法各有優缺點，需要在生產前對水質等進行詳細分析，以確定最合適的防除垢技術。

1.2 需要分類處理

由于高鹽廢水的來源和組成差異大，廢水中存在許多有機物和難降解的化學物質[11]，需要根據實際情況選擇合適的處理方案進行針對性的處理。

例如石化企業排放的含鹽廢水含鹽量高，往往含有高濃度氨氮、懸浮物和氯化物，不能與其他廢水混合處理[16]。與生活污水相比，工業高鹽廢水中則包含大量有毒污染物和難降解物質，種類多、濃度大，在水量和水質方面都與生活污水有很大差別，在處理過程中也需要與其他污廢水處理設備分開設計[17]。

1.3 回收

某些含有高價值無機鹽的含鹽廢水具有極大的回收利用和市場價值，需要進行回收。例如硫酸銨廢水中的硫酸銨成分經回收后可以直接用作肥料，市場價格能夠達到1 000元/t，如果進行回收利用，經濟效益明顯[18]。因此，有必要對含鹽廢水進行合理的回收利用，這樣不僅能夠減少其對環境的危害，也能夠避免對資源的浪費，節約經濟成本。

2 目前處理技術發展現狀

2.1 生物法

生物法主要是利用自然界中廣泛存在的微生物，氧化降解高鹽廢水中富含的無機鹽和有機物，最終實現凈化廢水的目的[19]。生物法不需要消耗化石燃料，環保性強，沒有復雜工業設備，成本投資較少，是目前處理高鹽廢水中較為傳統和普遍的方法之一[20]。

利用微生物在適宜條件下的代謝活動，能夠將含鹽廢水中的有機物質生物氧化為二氧化碳和水，因此運用生物處理高鹽廢水最突出的優勢在于無二次污染，能夠適應高鹽廢水多種成份的復雜特性[21-22]。目前生物法處理高鹽廢水的常用方法包括活性污泥法、生物接觸氧化法、生物流化床和回轉生物氧化床等[5]，不同技術之間彼此各有差異和適用條件。

生物法最大不足在于當高鹽廢水含鹽濃度變化較快時，需要培養耐鹽微生物，增加微生物對鹽濃度變化的適應期[21]。研究表明，一般的生物處理技術只適用于含鹽量小于1%的含鹽廢水[23]，當含鹽量高于5%時，普通活性污泥中的微生物就會失效，導致最終的外排水不能達標[24-25]。

為了克服生物法使用條件上的不足，提高微生物處理含鹽廢水效果，通常采用兩種方法進行改善：一是稀釋高鹽廢水，降低含鹽濃度；二是培養具有特效性的嗜鹽菌和耐鹽菌種[17]，這兩種方法都會提高處理成本。此外，生物法處理高含鹽廢水普遍存在出水渾濁、懸浮物多的問題[29]，不能有效回收利用剩余淡水，造成水資源的浪費。

2.2 膜法

膜分離法一般是指利用天然或合成膜，對廢水中的無機離子或有機物進行選擇性分離提純，實現凈化廢水的目標。膜技術依靠膜自身的選擇透過性，以外部能量差為動力，因此不需要配備復雜工藝設備，也很少消耗高品位能源，具有分離效率高、能耗低、回收率高的優勢[30]。

常見高鹽廢水濃縮的膜處理技術主要有反滲透、正滲透、電滲析和膜蒸餾等技術[36]。不同膜處理技術的膜孔徑、性能各不相同，截留率也有較大差別[34]，需要根據廢水成分、物理化學性質選擇合適的膜處理種類。陳俠等[37]采用納濾膜處理反滲透系統進水，結果顯示：鈣離子、鎂離子和硫酸根離子截留率均在 92%以上。由此可知，膜孔對結垢離子的截留率較高，能夠在一定程度上減輕后續處理設備結垢的風險。

膜分離設備簡單，彼此可分離，具備易于組合、配套使用的優勢。實際使用最大問題在于膜易堵塞和腐蝕，導致膜技術失效，需要經常更換，增加投入成本。將不同膜處理技術配合使用能夠更大發揮出膜處理的優勢，也能夠在一定程度上彌補膜孔易堵塞的不足。吳雅琴等[38]將膜分離及膜濃縮技術綜合，形成組合工藝流程并應用在高鹽廢水的處理中，分析得出選擇合適的膜技術可以大幅減少蒸發量和蒸發器投資，同時也能夠降低結晶分鹽的難度，實現常見鹽分的分別回收利用。

2.3 熱力法

熱力法是指在一定壓力下，通過加熱使得液態水發生相變形成蒸汽，得到含鹽及有機物濃度較高的濃縮液，以便對濃縮液和結晶進行下一步處理，最終實現高鹽廢水的回收處理[39-41]。目前，熱蒸發技術種類較多，包括多效蒸發、機械蒸汽再壓縮蒸發工藝、多級閃蒸技術、噴霧蒸發、離子交換、滲透技術等[42]。熱力法最大優勢在于處理效率高，運用熱力法蒸發濃縮，能夠顯著提升蒸發效率。

影響熱力法處理效率的因素復雜，不僅與處理物料的成分組成、物理化學性質有關，還涉及設備形狀、性能、成本投資等諸多方面的影響。Kouhikamali等[43]通過研究熱壓縮機的模擬和實驗結果，發現壓縮機在不穩定狀態下，會受渦流影響導致性能降低。劉殿宇[44]通過對混合式蒸發器的設計研究發現，蒸發器加熱溫度的高低會對蒸發效率產生影響，應選擇加熱溫度較高的蒸發位置，分離器位于蒸發器上側更利于蒸發。王立威等[45]則通過實驗測試出機械蒸汽再壓縮系統中單螺桿式壓縮機的蒸發能力，發現螺桿式壓縮機的運行過程中，容積效率能夠超過0.73，絕熱內效率大于0.5，系統的實際能效系比最高達12.5。表明壓縮機的性能也會對系統蒸發整體性能產生影響。

在利用熱力法蒸發高含鹽廢水時，由于高鹽水中存在電解質，需要的蒸發溫度比純水蒸發要高，因此需要提供更多高溫熱能，或者通過降低系統的壓力來降低鹽水的沸點[46]，這些都會增加含鹽廢水處理系統的設計難度與運行難度。在回收物方面，蒸發能夠產生低溫冷凝水進行回收利用，但獲得的無機鹽純度不高[19]，無法直接利用，需要進一步處理。

2.4 不同處理方法的對比與總結

綜合比較上述3種高鹽廢水的處理技術，生物法處理無二次污染，但需要馴化耐鹽微生物；膜法不需要復雜設備，但膜易失效，增加成本；熱力法能耗雖然比前兩者要高，但處理效率高。3種處理方法對比如表1所示。隨著工業規模的不斷擴展，排放廢水呈現出種類和性質各異、重金屬含量高、硬度高的特征，因此處理的難度也隨之增加。生物法、膜法和熱力法適用條件各有不同，處理技術不同階段有不同需求，應當針對各種廢水的特征和處理的不同階段，選擇適宜的處理技術，才能實現處理效果的最大化[21,47-49]。

分析生物法、膜法和熱力法3種技術的適用條件得出，對于組成物質復雜的含鹽廢水，選擇其他技術處理成本較高，而生物法能夠降解有機物，適合懸浮物、膠體尤其是易結垢離子的去除，但難以降解大分子有機物；膜技術適合處理微生物難降解的含鹽廢水，以及對淡水資源回收有要求的處理情況；熱力法蒸發效率高，能夠實現濃縮液、結晶等最終產物的固廢處理，適合對含鹽廢水零排放有需求的工況[49-51]。

表1 高鹽廢水不同處理技術對比[19-20,29,34,40,42]

3 蒸發技術的介紹與對比

相較于生物法與膜法，蒸發技術應用廣泛，是工業生產中普遍使用的技術之一，其包含技術多樣，優缺點各異，是重要的研究方向。

3.1 多效蒸發法

多效蒸發(multiple effect distillation，MED)一般是指將多個蒸發器串聯，除首個蒸發器采用新鮮蒸汽加熱外，剩余蒸發器都依次利用前一個蒸發器多余蒸汽作為熱源。對于單效蒸發器，每蒸發1 000 kg水，約消耗1 200 kg蒸汽[52]，而多效蒸發能夠回收蒸汽，降低系統能源消耗。

根據進料方式不同，多效蒸發系統可分為順流、逆流、平流和混流，不同的進料方式會直接影響MED系統性能，廢水與蒸汽引入方式對系統性能和功耗的影響也不同[10]，工藝流程如圖1所示。Elsayed等[53]對比4種不同的進料方式蒸發效率并計算所需總水費，實驗發現，混流蒸發效率最高，熱量消耗最少，所需總水費為2.51 美元/m3，但需要較高冷卻流速；順流進料方式蒸發效果最差且總水費最高，為2.77美元/m3。由于順流中高溫蒸汽只能依次向后效傳遞，且蒸汽冷凝放熱大部分用于蒸發物料，用于加熱二次蒸汽的占比減少，因而會導致蒸汽耗量增加，蒸發速率下降[53, 10]。Liu 等[54-55]建立了平流進料和混合進料模型，結果表明，被引流蒸汽的最佳位置位于混合進料位置之后，此位置系統的造水比最大，蒸發器熱交換面積最小。

圖1 順流進料多效蒸發工藝流程示意圖[10]Fig.1 Schematic diagram of MED process with downstream feeding[10]

劉天柱等[56]通過多效蒸發含鹽廢水實驗，發現在相同效數的系統中，隨著效數的增加，各效蒸發量降低緩慢；在淡水量一定的情況下，效數越高，MED系統各效蒸發量越小；另外，在淡水產量一定的情況下，各效蒸發換熱面積隨著效數的增加而減小。多效蒸發技術的蒸發量、蒸汽耗量、換熱面積與效數彼此影響[56]，在平流多效蒸發器中，物料平行進入各效蒸發器，而各效蒸發器濃縮比保持一定，因此最終各效的蒸發量區別較小。

雖然隨著設備效數的增加，整個系統的蒸汽耗量雖然能夠降低，但MED總的傳熱面積會不斷增大[57]，相應投資成本也不斷提高。因此，在設計多效蒸發系統時需要平衡效數與經濟成本間的關系。

多效蒸發系統雖然能夠依次回收利用剩余的二次蒸汽，但末效產生的二次蒸汽只能進入冷凝器冷凝，不能夠循環使用，造成大量熱能浪費，且加熱蒸汽和蒸汽冷凝水成本較高、結垢較嚴重。

3.2 機械蒸汽再壓縮

機械蒸汽再壓縮(mechanical vapor recompression, MVR)技術最大的特點在于將蒸發器內產生的低溫二次蒸汽重新壓縮為高壓高溫蒸汽并作為熱源繼續蒸發，因此只需要在啟動時消耗生蒸汽，相比普通蒸發器系統能耗顯著降低。據統計，MVR技術在全世界的熱分離系統中占了大概33%的比例[58]。與多效蒸發技術相比，MVR的優勢在于避免了末效蒸發器剩余蒸汽的浪費。MVR系統的基本原理如圖2所示。

圖2 MVR系統的基本原理圖[59]Fig.2 Basic principle of MVR system[59]

影響機械蒸汽再壓縮系統的因素復雜，包括蒸發器形式、蒸發溫度、換熱溫差、壓縮比等都會對系統的運行能耗和蒸發效率有影響，同時不同參數間還會相互影響，使系統運行變得更加復雜[60-63]。張子堯等[61]對MVR結晶系統進行優化發現，系統總功耗與壓縮溫升成正比，而蒸發溫度的升高會使系統總功耗降低，同時增大總換熱面積。趙遠揚等[62]研究蒸發溫度對MVR 系統的影響，實驗表明，蒸汽的體積流量、壓縮機功耗和系統能效受蒸發溫度影響較大，系統能耗會隨著沸點和換熱溫差升高而線性增大。

在處理高鹽廢水方面，MVR技術還需要面對沸點升高的問題。武超等[63]發現使用 MVR 蒸發技術的合理溫升范圍為8～20 ℃，如果沸點升高超過18 ℃，此時MVR技術的優勢將會被削弱。

在實際操作中，MVR系統同時也存在一些不足。與多效蒸發相比，由于MVR系統中的蒸汽壓縮機對二次蒸汽的品質要求較高，若二次蒸汽攜帶鹽顆粒或水，將會對壓縮機造成損壞。因此在實際設計中需要采用高性能的壓縮機和鋼材，造成整體投資成本上升[36,64-65]。目前成套的MVR蒸發系統代價昂貴，同樣還面臨著材料的腐蝕、管壁結垢清洗等問題，需要在未來進行更深層次的改善和提高[66]。

3.3 多級閃蒸技術

為了克服早期多效蒸發結垢嚴重的問題，20世紀50年代提出了多級閃蒸(multistage flash distillation, MSF)技術[67]。多級閃蒸是將一系列的閃蒸室串聯起來的裝置，待處理廢水依次通過壓力逐漸減低的閃蒸室，蒸發完成后汽化產生的水蒸氣可被循環冷卻水冷凝成淡水回用[10]。閃蒸過程的實現主要依靠液體壓力迅速降低后瞬間達到沸點從而產生大量水蒸氣，最終在較短時間內實現液體蒸發[68]。目前閃蒸技術大致可分為3種，分別是液面閃蒸、液滴閃蒸和噴霧閃蒸[69]，不同閃蒸過程的影響因素各不相同。MSF系統工藝流程示例如圖3所示。

圖3 多級閃蒸工藝流程示例圖[69]Fig.3 Schematic diagram of multistage flash distillation process[69]

Wang等[70]認為初始閃蒸壓力對閃蒸室水溫和蒸發量的影響僅在閃蒸初期起作用，較高的初始壓力將滯后閃蒸的開始，而較高的閃蒸溫度則會促進閃蒸的發生。Shao等[71]則針對閃蒸溫度對蒸發過程的影響展開進一步研究，發現較高的蒸發溫度會產生更多氣泡，而這些氣泡增強了內部熱交換，產生更多氣化核心，最終使得蒸發過程更加強烈。

液滴閃蒸是噴霧閃蒸的基礎，與液滴閃蒸相比，噴霧閃蒸將液滴霧化為無數小液滴，增加了與霧化環境的接觸面積，因此蒸發情況更加劇烈[68]。目前噴霧閃蒸的研究主要集中在噴嘴、溫度、速率、壓力等因素對霧化過程影響程度的探究。Chen等[72]基于噴霧閃蒸模型發現，蒸發溫度能夠影響霧化液滴破碎過程，霧化后的液滴粒徑比噴嘴孔直徑還小幾個數量級，距噴嘴口處50 cm范圍內即可完全蒸發。Cai等[73]研究表明，提高噴射速率和初始水的溫度可以增強閃蒸效果。

多級閃蒸技術憑借其單機容量大、防垢性能好以及出水質量高等特點在全球海水淡化領域運用廣泛，雖然多級閃蒸技術工藝成熟、運行可靠，但熱力效率較低，能耗較高，將其與多效蒸發或反滲透等技術相結合，在一定程度上能夠彌補系統不足[66]。

3.4 不同技術的對比

結合不同研究成果，綜合比較多效蒸發(MED)、機械蒸汽再壓縮(MVR)和多級閃蒸(MSF)技術，具體結果如表2所示[41]。

表2 3種蒸發技術對比[41]

對比發現，MED、MVR和MSF 3種蒸發技術均適宜處理高鹽度廢水，環保性較好；就設備防除垢而言，MSF相較不易結垢，適宜處理含鈣鎂離子等結垢離子較多的含鹽廢水；在能耗方面，MVR技術能耗相較于其他二者最低但設備昂貴，成本高，需要計算具體能耗，節省費用與投入成本，綜合考慮經濟性和蒸發效率。

4 不同處理工藝綜合

高鹽廢水處理工藝種類繁多，廢水組成成分復雜，各種工藝均存在一定缺陷。因此，需要在滿足處理效果和經濟成本的基礎上，設計采用多種方法綜合的組合工藝來處理含鹽廢水。利用不同技術優勢，兼顧有機物的去除和鹽分的脫除，是實際處理含鹽廢水最有效的方式。

圖4 MED-MSF耦合工藝流程示意圖[74]Fig.4 Schematic diagram of coupling MED-MSF technology[74]

4.1 不同熱力法的組合

熱力法處理高鹽廢水應用廣泛，發展成熟，隨著高鹽廢水排放種類逐漸復雜，單一蒸發技術已經不能夠滿足處理需求，將不同蒸發工藝耦合在一起則可以在一定程度上彌補不足。

Alexander等[74]利用低溫廢熱，提出了一個 MED-MSF耦合同時利用的工藝，設計方案的流程如圖4所示。首先通過MED設備回收低溫余熱，隨后將廢水引入MSF裝置實現廢水的高效蒸發處理，此外還將蒸發過程中產生的淡水重新引入MED設備。實驗結果顯示，系統整體的造水量得到提升，提升量達50%以上，最終單位總成本降低4%～6%。該工藝流程能夠降低總成本，但整體系統較復雜，水泵、換熱器等配套設備多，使得系統電能消耗有所提高，不利于低碳運行。

Mabrouk等[75]設計了一種MED-MSF耦合工藝，方案的流程示意圖如圖5所示。MED-MSF的耦合工藝為系統提供了雙重蒸發，提高系統最終的能源利用率。根據實驗數據，耦合工藝的單位水處理成本較傳統MSF工藝降低32%。與參考文獻[71]相比，上述MED-MSF耦合系統通過更換管束位置降低了水泵功率，進而降低系統整體能耗。

圖5 耦合MED-MSF技術的示意圖[75]Fig.5 Schematic diagram of coupling MED-MSF technology[75]

熱力法蒸發效率高，多種蒸發技術結合使用更能夠加快蒸發效率，但同時也會加劇能源消耗，增加系統整體的運行成本，因此結合節能技術來減少熱力法處理含鹽廢水所需的高品位能源消耗顯得十分重要。

4.2 膜法+熱力法

膜蒸餾是指將膜技術和蒸餾過程相結合，是膜法與熱力法耦合的典型技術。膜蒸餾過程以溫度差作為驅動力，熱側液體的水分子蒸發為氣態穿過疏水膜的微孔，而液相中不揮發的分子和離子等溶質不能透過疏水膜，進而實現含鹽廢水的濃縮、分離和提純[76]。膜蒸餾作為膜法和熱力法的結合技術，同時具有反滲透和蒸餾技術的優勢，處理含鹽廢水效果穩定，運行成本低且能夠抵抗廢水污染[77]。

張營[77]設計了一種利用膜蒸餾技術處理高鹽廢水的工藝流程，具體流程如圖6所示，實驗結果表明，使用膜蒸餾處理的產水率不小于60%，含鹽量不大于300 mg/L，蒸發結晶產水率不小于90%，含鹽量不大于800 mg/L；將兩股產水混合后的含鹽量不大于 350 mg/L，最終脫鹽率達到99%。石曉嵩[78]、渠光華[8]均針對不同膜技術與熱力法結合做出設計與研究，發現最終均能夠達到不錯的除鹽效果。由此可見，集反滲透和蒸餾于一體的膜蒸餾技術處理高含鹽廢水時，具有較高的脫鹽率，脫鹽產水質量高，能夠適用于超高濃度的含鹽廢水。不過運用膜蒸餾處理含鹽廢水時，往往還需要配合蒸發結晶設備對生產物進行最終處理，不能夠直接實現高鹽廢水的零排放。

圖6 膜蒸餾處理高鹽廢水工藝流程圖[77]Fig.6 Diagram of membrane distillation process for treating high salt wastewater[77]

傳統蒸餾過程要把廢水加熱至接近沸點，而膜技術可以在常溫常壓下進行，能耗僅為傳統蒸餾的50%[37]；同時，由于膜蒸餾技術中的廢水與吸收液互不接觸，設備腐蝕得到緩解，不會出現液泛等故障[76-77]。

4.3 熱力法+生物法+膜法

高鹽廢水成分復雜，單一技術應用很難實現完全處理。為了能夠有效處理高鹽廢水，一般需要將整個處理工藝分為預處理、蒸發濃縮、分離、回收、固廢等多個小處理段，才能最終實現含鹽廢水的徹底處理。

石曉嵩等[78]提出當廢水含鹽量較高時，使用膜技術和生物處理技術效果較差，應在工藝前端使用MVR蒸發去除鹽類；當廢水含鹽量較低時，在工藝前端可采用生物處理技術和膜技術進行濃縮，淡水回用。兩種含鹽廢水處理流程如圖7(a)、圖7(b)所示。針對含鹽廢水的處理，僅簡單提出低、高含鹽廢水在工藝前段適用技術的區別，并沒有提出針對不同濃度的廢水如何設計具體的工藝流程，同時缺乏實驗效果數據證實。

圖7 含鹽廢水處理工藝流程圖[78]Fig.7 Flow chart of salinity wastewater treatment process[78]

李宇慶等[79]設計“三效蒸發器+膜生物反應器(membrane bio-reactor,MBR)+反滲透”相結合的含鹽廢水零排放系統，具體流程如圖8所示。系統針對廢水中的不同組分的性質分別選用處理技術，同時回收冷凝水和系統出水并循環使用，降低系統能耗，回收淡水資源。該項系統綜合多效蒸發法和反滲透法，其中MBR技術則是膜分離和生物分離兩類技術結合的新型水處理技術，工藝全程包含預處理和回用設備，針對不同階段廢水處理的需求均有適應的處理技術，處理方法綜合性高，技術創新性較強，符合未來綜合多種技術分段處理高鹽廢水的趨勢。

圖8 三效蒸發器+MBR+RO工藝流程圖[79]Fig.8 Flow chart of three-effect evaporation+MBR+RO process[79]

實踐證明，高鹽廢水成分復雜，不同處理階段處理需求各不相同，在此對多種技術耦合的工藝流程做出總結：首先通過過濾、沉淀等方法去除廢水中的雜質、大顆粒等有機物，隨后選用熱力技術中的一種或多種進行蒸發獲得濃縮液和結晶，最后選擇生物法或膜法對濃縮液進行進一步處理以實現高鹽廢水的零排放，對產生的無機鹽進行回收利用，最后將殘渣進行固廢處理排放，具體流程如圖9所示。隨著技術種類的增多，投入的資金成本也會隨之升高。因此，在正式建設前進行技術與經濟的分析十分重要，實現收益的最大化才是最終的處理目標。

圖9 綜合多種工藝處理高鹽廢水流程圖[77-79]Fig.9 Flow chart of treating high salt wastewater by integrating various technologies[77-79]

5 如何實現零碳排放

實際生產中，蒸發過程所必需的高溫熱能一般以消耗高品位能源為代價。無論選用哪一種熱力法，都不能避免消耗生蒸汽，而新鮮蒸汽的生產需要耗費大量電能。目前中國發電大部分仍然依靠火力發電，需要燃燒煤炭，排放更多二氧化碳，不利于“碳中和”“碳達峰”目標的早日實現。因此，有必要探討如何在熱力法處理高鹽廢水的工藝流程中盡可能實現零碳排放。

5.1 可再生能源利用

太陽能、余熱、風能等這些都是可再生清潔能源，以可再生能源替換傳統蒸發系統中的化石燃料，能夠降低二氧化碳的排放。

太陽能的利用形式主要有兩種：光伏和光熱。光熱技術主要是靠大面積安裝太陽能板作為集熱器裝置，收集來自太陽能輻射的熱量和光伏電池本身的產熱。

圖10 耦合太陽能集熱的MVR蒸發結晶系統循環示意圖[80]Fig.10 Schematic diagram of MVR system cycle coupled with solar collector[80]

田雨等[80]針對NaCl含鹽廢水的處理，設計一種耦合太陽能光熱的MVR蒸發結晶系統：高鹽廢水首先在蒸發器中蒸發為濃縮液，隨后濃縮液通過吸收太陽能集熱器中的熱量在閃蒸器中繼續蒸發結晶，最后廢水零排放，具體運行過程如圖10所示。運行結果表明，新系統整體壓縮機比耗功為67.46 kJ/kg，性能系數(coefficient of performance，COP)可達24.96，證明利用太陽能蒸發能夠極大提高系統能效指標，以可再生能源驅動蒸發系統對于實現零碳排放有重要影響。有許多學者在利用太陽能光電光熱效應進行海水淡化脫鹽領域進行研究，屈孝斌[81]、馬佳香[82]的實驗研究表明利用太陽能脫鹽能夠降低蒸發系統碳排放，一定程度上緩解淡水資源匱乏。綜合實驗結果發現，利用太陽能蒸發不僅能夠完成含鹽廢水的處理，同時可再生能源的利用減少了碳排放，降低整體功耗。不過上述實驗中僅部分利用太陽能蒸發，依然需要配合蒸發器等其他高耗能設備輔助；實驗針對特定工況下的蒸發效果進行研究，不具備普遍意義。

雖然以太陽能產熱作為蒸發系統熱源具有顯著的節能效果，但在實際操作中，太陽能的使用還會受光照強度、可使用空地面積、當地政策等因素的限制，且大面積的太陽集熱器也不利于維護與管理。因此在考慮可再生能源方案時，可以擴展至其他綠色能源，如風能、潮汐能、余熱能等，探討分析多種可再生能源耦合的可行性與經濟性。

余熱資源在日常生產生活中普遍存在，尤其在工業生產中會產生大量低溫余熱，作為一種低品位能源，低溫余熱的回收和利用能夠降低能耗和投資成本，因此在節能環保領域越來越受到人們的重視。利用余熱資源蒸發含鹽廢水，主要的利用形式集中在兩方面：一是回收余熱作為熱源對物料進行蒸發，二是利用余熱驅動壓縮機，減少電能消耗。

圖11 逆流三效蒸發工藝示例圖[83]Fig.11 Schematic diagram of countercurrent three-effect evaporation technology[83]

高妍等[83]設計了一種回收低溫余熱蒸發物料的工藝流程：將閃蒸段產生的蒸汽回用于第2效加熱器中，第2效蒸發量提升的同時，減少第1效蒸發器的蒸發量，減少新鮮蒸汽的消耗，具體工藝流程如圖11所示。經過計算，余熱回用及未回用時所消耗的加熱蒸汽量分別為1 625 kg/h和2 100 kg/h，前者較后者節約蒸汽量達29%，若按蒸汽價格170元/t計算，則每年可節約運行成本58.14萬元。趙宏[84]、張瑜[85]針對回收余熱蒸發含鹽廢水也都進行了相關研究。上述實驗設計均通過回收余熱降低系統能耗，不僅能夠減少運行費用，更重要的是由于減少了新鮮蒸汽的正產，蒸發過程中的碳排放得到降低。不足之處在于設計的系統和工藝流程較為龐大復雜，配套設備較多，且沒有提供蒸發最后剩余結晶和濃縮液的技術方案，處理效果不夠徹底。

5.2 耦合蒸發冷卻技術

蒸發冷卻的原理在于將循環冷卻水與熱空氣通過噴淋進行熱交換，水相變升溫吸收空氣的熱量，最終使空氣的溫度降低到臨近空氣的濕球溫度[86]。目前蒸發冷卻技術主要應用在空調、制冷、數據中心散熱和換熱設備等方面，其形式主要有3種，包括直接蒸發冷卻、間接蒸發冷卻和露點式間接蒸發冷卻[87]。實驗發現，在設定工況下對液氮進行蒸發冷卻，得到的平均換熱系數能夠達到1 964.58 W/(m2·℃)[88]。

圖12 蒸發冷卻耦合MVR高鹽廢水處理工藝示意圖Fig.12 Schematic diagram of evaporative cooling coupled MVR high salt wastewater treatment process

蒸發冷卻的換熱量小于液冷冷卻，但它的最大優勢在于技術原理和設備相對簡單，不需要消耗大量電能，是一種低碳環保的技術手段。如果設計將蒸發冷卻與熱力法技術結合使用，那么在滿足高鹽廢水蒸發所需熱能的同時降低系統能耗，促進含鹽廢水處理零碳排放的實現，因此提出一種蒸發冷卻與機械蒸汽再壓縮技術相結合處理高鹽廢水的設想，設計的工藝流程如圖12所示。首先將含鹽廢水原料通過噴淋的形式與熱干空氣進行換熱蒸發，升高廢水溫度，原料被蒸發為濃度較高的濃溶液，隨后將其通入MVR系統與高溫蒸汽進行進一步蒸發，獲得濃度較高的濃縮液。

隨著國家對環境的治理要求不斷提高，相關環保法案的要求也越來越嚴格。面對“雙碳”目標實現日期的不斷臨近，實現高鹽廢水零碳排放的意義更加重要，也將會是各個行業未來的發展目標和發展方向[89]。

6 系統智能化控制

含鹽廢水的熱處理過程中，隨著溶液的不斷蒸發，溶液沸點升也會隨濃度升高發生變化，導致整個蒸發過程處于不穩定的動態變化中；且影響蒸發狀態的相關參數互相關聯，加劇了系統控制難度，實際操作過程中容易使生產人員忽視安全作業，人工獲取數據也容易產生誤差，造成更多生產時間浪費，如果引發安全事故則后果更加嚴重[90-91]。因此，做好控制過程自動化，實現高鹽廢水系統智能化處理的重要性不言而喻。

蒸發系統智能化控制的關鍵在于溫度控制，除此以外，重要管道的壓力、出料比、流量、物質狀態等方面同樣重要，需要時刻監視[92]。值得注意的是，由于高鹽廢水成分復雜，處理系統管壁以及換熱器孔內極易結垢，因此也需要時刻監視管內結垢情況，安裝自動報警或清理裝置。

楊頌[92]通過對管道壓力的控制，實現對MVR系統中二次蒸汽溫度的實時監控，原理圖如圖13所示。實驗證明，通過智能化控制系統，能夠做到實時顯示過程參數并記錄數據，對比分析不同時間段物料的差異，為工作人員提供重要幫助，極大地提高生產效率，改善生產線整體工作流程。

圖13 二次蒸汽控制原理圖[92]Fig.13 Schematic diagram of secondary steam control process[92]

處理系統智能化控制就是根據設定好的流程和程序，利用儀器儀表對生產中各項數據和信息進行監督和控制，最終為企業創造出更大的經濟效益。隨著設備性能不斷優化、系統集成度不斷提高，智能控制逐漸人性化，相信在未來，智能控制含鹽廢水的蒸發也會更加普及方面。

7 結論與展望

7.1 結論

介紹了處理高含鹽廢水的發展現狀，并針對3種熱力技術展開詳細介紹與比較，探討了不同處理技術耦合使用的可行性與優勢，提出可以通過利用可再生能源降低蒸發系統碳排放，并簡要提出一種MVR耦合蒸發冷卻處理高鹽廢水的設計方案，最后介紹了系統智能化控制的優勢與實例。得到結論如下。

(1)高鹽廢水成分復雜，生物法、膜法和熱力法3種處理技術各有優缺點：生物法處理無二次污染，能夠適應高鹽廢水成分復雜的特性，但需要增加時間和成本培養耐鹽菌種；膜法分離效率高、能耗低，但易失效；熱力法蒸發效率高，但耗能較高。

(2)多效蒸發(MED)、多級閃蒸(MSF)和機械蒸汽再壓縮(MVR)3種技術均適宜處理高濃度含鹽廢水，但都有結垢的風險；相比MED無法回收末效蒸汽潛熱值，MVR技術能夠回收二次蒸汽并作為熱源重新蒸發；MSF能夠快速蒸發但能耗最高。

(3)耦合生物法、膜法或熱力法等多種處理技術能夠增加處理高鹽廢水的徹底性與效率，總結綜合多種處理技術的工藝流程一般為：預處理去除大顆粒等有機物→選用熱力法蒸發獲得濃縮液和結晶→生物法或膜法等技術選用一種或多種進行進一步處理，回收可利用物→將殘渣進行固廢處理，最后排放。

(4)利用太陽能、余熱、風能等可再生能源能夠降低高鹽廢水蒸發系統能耗，降低二氧化碳的排放，同時節約經濟成本；蒸發冷卻技術蒸發效率低但設備簡單、耗能少，可以將其與MVR技術相結合實現高鹽廢水處理領域零碳排放的目標。

(5)系統智能化需要時刻控制蒸發溫度、蒸發壓力、流量等關鍵參數，實現高鹽廢水蒸發系統智能化能夠提高生產效率、降低運行投入成本，是一項具有明顯優勢的措施。

7.2 展望

研究的重點難點以及需要著重解決的問題如下。

(1)熱力法仍是目前含鹽廢水處理的主要技術手段之一，但在處理過程中，蒸發能耗高、碳排放量大、處理設備價格昂貴等問題一直是熱力法最大的不足。為了盡快實現零碳排放，對于熱力法需要積極創新節能環保新技術、緊密結合可再生能源、改善工藝流程以減少電能、熱能等能源的消耗，同時降低設備復雜度和成本。

(2)實踐證明，生物法、膜法、熱力法等多種技術綜合使用，能夠更大程度發揮不同技術的優勢，彌補各自不足。因此，不斷優化綜合處理技術的工藝流程，將會成為未來含鹽廢水處理發展的重點。

(3)改善和創新生物法、膜法和熱力法等系統的智能化控制系統，實現含鹽廢水處理過程自動控制，將會成為影響含鹽廢水高效經濟處理越來越重要的因素。

(4)蒸發過程普遍存在結垢與腐蝕問題，目前的防除垢技術部分存在需要停機清除、除垢種類單一、設備復雜、實際需求多變等多種問題，需要進一步貼合實際操作需要來改善防除垢技術，增強換熱效果。