工艺技术 进展：机械蒸汽再压缩[MVR]处理高盐有机废水

含盐废水是指质量分数至少为1%总溶解固体（TDS为10OOOmg/L）的废水，高盐废水的TDS为35OOOmg/L质量分数为3.5%），部分高盐废水中TDS甚至高达100000-600OOOmg/L。高盐废水含有大量可溶性的无机盐，如Cl-，SO2-4、Na+和Ca2+，Mg2+等，部分工业有机高盐废水中还含有Cu2+，Zn2+，Pb2+，Cr2+，Cd2+等金属离子，是目前难处理的废水之一。高盐有机废水的化学耗氧量COD高达几千、几万甚至十几万mg/L，其中的高浓度无机盐和难降解有机物排放会造成严重的环境污染，对土壤及地表水、地下水造成破坏。


1 MVR简介

常见处理高盐废水的方法有化学法、生物法和物理法。化学法有离子交换、电解和微电解、高级氧化等。郑常春等各种高级氧化技术的投资成本低，但是运行成本普遍较高。生物法有好氧法和厌氧法。施帅帅等的研究发现当盐度增大时，生物法处理时会出现问题：处理时间加长，去除率明显下降。物理法有膜分离和蒸发，膜分离成本较高，目前应用广泛的脱盐技术是蒸发。机械蒸汽再压缩（MVR）是最新节能型的技术，自世界能源危机以来越来越受重视。2007年MVR技术引入中国后，已被广泛应用于乳品行业，食品加工和废水处理等领域。

天津科技大学探寻了MBR法在高盐废水处理中的应用，其主要研究目的是探寻梯度增加盐度的自然化污泥和稳定盐度投加嗜盐菌生物的强化驯化污泥对MBR（膜生物反应器）的影响。梯度加盐自然驯化的活性污泥适用于低负荷的含盐污水处理，而稳定盐度投加嗜盐菌生物强化驯化的活性污泥，适用于高负荷的含盐废水处理

1.1 基本原理

MVR技术在1917年发明，第一台MVR设备在奥地利被设计安装。其原理是料液经蒸发器蒸发产生二次蒸汽，经分离器分离后再经压缩机压缩，从而提高压力、升高温度、增加热烩，然后作为加热蒸汽循环使用的技术，充分利用了蒸发过程中产生二次蒸汽的冷凝潜热，从而减少蒸发浓缩过程对外界能源需求。蒸发器分离出来的二次蒸汽经压缩机压缩后，温度压力升高，热烩增大，然后进入加热室冷凝并释放潜热，受热的料液得到热量后汽化产生二次蒸汽经分离后进入压缩机，重复上述操作，完成液通过结晶罐结晶，最后经离心机去除各类盐。整个过程主要向压缩机提供电能，省去了蒸汽和冷却水的能源消耗。

1.2 主要设备

MVR的主要设备包括预热器、蒸汽压缩机、汽液分离器和蒸汽换热器等。（1）进入预热器的待蒸发溶液一般为20250C，在预热器中用列管式换热器将原料液预加热，管程内为物料、壳程内为蒸汽，壳程内配有多个折流板，增加扰动强化传热，采用强制循环轴流泵做动力，使物料循环蒸发，提高物料的流速以免换热管结垢。（2）蒸汽压缩机转速通常为980rmp-1450rmp为了提高系统内二次蒸汽热烩，由它压缩二次蒸汽，持续向系统提供蒸汽。压缩机有离心式压缩机和罗茨式压缩机两种，离心式压缩机属于叶片式风机，适合蒸发量较大但物料沸点升高不大的情况。茨式压缩机属于容积式风机，适用于蒸发量较小但沸点升高较大的情况。（3）汽液分离器主要用于将浓缩液体和蒸汽分离，在蒸发中还起到物料沉降和晶体生长的作用。（4）换热后原液通过进料泵装入蒸汽换热器，温差20℃以上并且与蒸汽压缩机产生的蒸汽进行换热，使其汽化蒸发，换热器的形式可根据原液的特性选择。

1.3 优缺点

（1）优点

系统只有在开车时需要少量蒸汽，当系统稳定运行后可以不需要蒸汽或仅需极少量的蒸汽用以补充热平衡。整个系统能耗主要是压缩机的电耗，运行费用大幅下降。整个系统只有一个加热室，不需要冷凝器，无需冷却水，节省了设备投资和动力消耗。结构简单，操作容易，占地面积小。用电代替蒸汽，节约能源折标煤40%-60%左右于热敏物料的蒸发，蒸发产品的结构不易被破坏。

（2）缺点

机械蒸汽再压缩整体设备较为昂贵，前期投资比较高，造价约为四效降膜蒸发器的1.8倍。整个系统运行受海拔高度影响，在高海拔地区耗电较为严重，增加了能耗。生产能力不足，蒸发不稳定，出料浓度的干物质含量不稳定。

2 MVR在高盐有机废水处理中的应用

2.1 技术问题和解决策略

尽管MVR已经发挥了很好的效果，但是运行中仍有许多技术问题对运行效果有所影响，比如物料物性对MVR的选择、沸点升高对蒸发的影响、结垢结焦问题等。目前的解决策略有：王帅等研究了物料的物性对MVR性能的影响，并根据不同物料的物性对MVR进行选择，对沸点温度升高较大的物料，一般采用MVR单效蒸发；高浓度物料需要使用强制循环或刮板蒸发器以防止物料流速太慢而结焦；热敏性物料要求停留在蒸发器内的时间短，若是蒸发的物料对温度的高低有相应需求则需考虑蒸发温度的高低、蒸发器的型式与流程。提高蒸发温度会使物料的沸点升高，从而影响蒸发器设计参数。物料中的少量有机物及盐导致料液的整体沸点升高，使得在MVR设计中要增加换热器的换热面积，而在设计蒸发量不变的情况下，还要增加压缩机的压缩比和减少系统总传热面积。马文杰等研究了处理MVR结垢的方法，分类分析垢样后，选择了化学除垢法。对碳酸钙垢用5%一10%的盐酸加缓蚀剂进行溶解去除；对硫酸钙垢先用碱处理，再用盐酸常温浸泡，除垢率可达100%；对于碳酸钙和硫酸钙混合垢，用酸和碱交替处理效果较好；1-2天后硅垢变得较为松软，再用盐酸加氟化钠进行。

2.2 能耗和成本分析

MVR蒸发器以消耗电能为主，主要的运行成本来源于压缩机耗电，废水的单位处理量和不同的单位电价对成本也有相应的影响。MVR处理高盐有机废水电费和成本如图2显示：蒸发一吨水平均耗电范围为24-50SOkWh。方健才报道处理氯化铵废水，单位处理量为3t/h，年处理时间7200h，结果单位废水耗电46kWh/t，；按照电价为0.6元/kWh计，每吨废水成本为29.6元。叶正茂等报道硫酸钱废水（氯离子浓度100000mg/L）处理，单位处理量为3t/h，年处理7920h，结果显示单位废水耗电24kW•h/t，电价为0.6元/kWh，每吨水成本为14.4元。在张向阳报道含硫酸钠废水处理，蒸发量为20t/h，单位废水电量消耗36kWh/t，折14.38kgce/t水，单位电价为0.75元/kWh，处理吨水成本为34.72元。