低温蒸发技术分类及工作原理、应用与未来发展方向

低温蒸发技术分类及工作原理、应用与未来发展方向

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本文首先概括了低温蒸发技术的分类、工作原理，然后系统阐述了低温蒸发技术在工业废液浓缩、达标排放及处理、废液资源化利用等方面的应用，最后对未来的技术发展方向和技术创新提出了建议。

1、低温蒸发技术分类及工作原理

1.1低温蒸发技术的分类

低温蒸发是指操作温度一般在70-80℃以下的蒸发过程。按热源不同分为低温热泵蒸发、余热蒸发、蒸汽加热等方式；按压力高低可分为低温常压蒸发、减压蒸发、真空蒸发；按蒸发方式可分为间歇蒸发和连续蒸发；按蒸发器数量可分为单效蒸发和低温多效蒸发。这些蒸发技术在海水淡化、产品净化、工业废液浓缩减量化、达标处理、资源化利用等方面都得到了一定应用。

1.2低温蒸发技术基本原理

水的沸点随着气压的降低而降低，从而使污水在较低的温度下达到沸点并开始沸腾。低温蒸发系统主要由蒸发器、冷凝器、热源供给、压力控制、缓冲水箱、真空泵等部分组成。低温蒸发器是实现沸腾蒸发分离的核心设备，其工作过程主要是通过热交换（热泵循环）为蒸发器内废液提供热源，保持内部加热均匀。蒸发器内压一般采用真空泵降低蒸发器内部气压。废液中的水分在70-80℃以下即可蒸发成水蒸气，蒸汽经过冷凝器后凝结成冷凝水。蒸发完成后，原废液中的各种污染物以固体形式从残渣出口排出，如图1所示。

低温蒸发技术主要成本控制取决于其加热部分，其热源除图中热泵循环外，还有锅炉蒸汽直接蒸发、厂矿余热利用、电加热、导热油加热等方式，供给的热量通过换热或直接加热的方式加热到沸点。蒸发排出的固体残渣可根据实际需要和回收成本回收再利用或作为危险废物进一步浓缩，一般处置方式有真空离心、压滤、干燥等方法。

低温蒸发技术应用现状目前工业废液处理常用的有物理化学法、膜处理、高温蒸馏、生化处理、低温蒸发等处理方法[10,11]。低温蒸发系统的优点是系统工艺链很短、自动化程度高、不添加处理剂、回收效率较高、废弃物产生量少、维护较为方便。在工业废液处理、废液浓缩、废液资源化利用、特殊废液处理等方面得到了很好的应用。具体技术参数对比见表1。

2.1废水浓度

（1）渗滤液浓度

垃圾渗滤液为高浓度有机废液，COD浓度高、色度高、臭味浓，处理难度大。目前采用反渗透（RO）技术处理仍会产生高盐、高色度、高COD、难生化降解的RO浓缩液，约占废液处理量的20%~50%。浓缩液的处理一般采用炉内燃烧、回注处理方式，但效果不明显，存在处理能耗高的问题。

基于目前常用的渗滤液浓缩膜浓缩工艺的不足，渗滤液浓缩液采用真空低温蒸发进一步浓缩，蒸汽中进入无机盐及挥发性物质，浓缩液中残留部分不挥发性污染物、重金属、固体杂质等物质，浓缩液经离心分离、压滤等措施进一步浓缩，蒸发液返回低温蒸发器前端进行循环蒸发，产生的冷凝水达标排放或回用。

对垃圾渗滤液低温蒸发处理进行了深入研究，结果表明：采用蒸发处理技术后，渗滤液中水被分离出来，挥发性有机酸、氨和挥发性烃类随蒸汽进入冷凝液，无机物、重金属和大部分有机物留在剩余的浓缩液中，冷凝液中的COD、TDS和NH3-N含量均有所降低。蒸发处理工艺可将渗滤液浓缩至原体积的2%～10%左右。陆飞鹏等[22]以渗滤液DTRO浓缩液为研究对象，采用高效低温蒸发技术开展浓缩水减量中试试验，对系统减量效果、运行稳定性及能耗指标进行评价，DTRO浓缩液减量效果明显，浓缩率可达67%以上。 中试系统运行稳定性好，能耗低，脱盐率达99.8%以上，产水满足GB/T 19923-2005循环冷却水系统补充水的水质要求。

（2）核工业废水浓缩

核工业废液来源于核工业生产的各个环节，包括铀矿开采废液、铀精炼废液、反应堆运行废液、核燃料贮存废液、核燃料后处理废液等。产生的废液具有放射性废液、高盐废液、有机废液的污染和危害。在国内外核工业中，低温蒸发是处理放射性废液有效可靠的方法。

核工业废液在常压下低温蒸发，废液浓缩率可达92%以上，体积明显减少，蒸发后残液可结晶凝固，蒸发产生的冷凝液经分析，COD、氯离子、总溶解固体含量分别为85.72、154.4、227mg/L，不含放射性铀，达到回收或达标排放要求。魏凤珍[25]研发了适用于低放射性废液和中放射性废液的真空蒸发浓缩工艺技术与设备，处理后出水达到国家、军用放射性废液排放标准及特殊要求。

（3）危废液浓度

目前工业产生的危险废液主要有机械加工废液、电镀废液、切削液、清洗废液、荧光废液等废液，其成分中往往含有《国家危险废物名录》中明确规定的成分。目前主要方式是外包给有处置资质的第三方企业处置。如果在外包前采用低温蒸发进行减容处理，可以大大节省危险工业废液处置成本，同时也大大节省能耗。

低温蒸发技术用于危险废液的浓缩减量，废液浓缩率可达75%，浓缩液中杂质浓度为80%，废液中的污染物得到很好的去除。郭红兵[28]采用低温热浓缩技术（LTE）处理有色行业高盐、高硬度、高氨氮废液，废液浓缩率可达10～20，产水率高达80%～90%，水电导率小于50μS/cm，运行稳定，达到软化水标准。高义全[29]采用低温蒸发技术代替萃取处理高铀废液，当废液中铀含量浓缩10倍左右时，产出的浓缩液即可满足铀浓缩厂含铀废液的排放标准。 此外，对于铜冶炼废液、铅锌冶炼酸性废液、有机溶剂异丙醇浓缩等废液也采用低温蒸发浓缩法，一方面使废液浓缩减量，另一方面使蒸发后的冷凝液达到排放标准。

2.2 废水减量及处理达标

（1）煤化工高盐难降解有机废液

煤化工废水普遍具有COD高、含盐量高、难降解、含有毒性物质等特点，部分表面活性剂具有亲油性强、乳化分散能力强、性质稳定、不易降解等特点。目前一般采用筛网、高密度澄清器、多介质过滤器除杂，采用离子交换装置、螯合床树脂装置去除结垢离子，采用水解酸化、活性炭、MBR膜生物反应器、臭氧催化氧化串联去除有机污染物，采用超滤、两级反渗透双膜法过滤浓缩，浓缩母液蒸发结晶生成混合盐。蒸发系统采用的高温蒸发器为串联蒸发，能耗较大。针对煤化工废水成分及反渗透浓缩母液的特点，开发和使用低成本深度处理技术十分重要。

尹萌萌[32]采用低温蒸发技术处理某煤化工企业产生的废水，该废水含有甲苯和N，N-二甲基乙酰胺两种典型有机物和氯化钠、硫酸钠和氯化铵三种典型无机盐，废水在50～80 ℃下处理，蒸发后冷凝水COD值为2～45mg/L，盐含量基本检测不到，可以满足后续生化处理进水要求。左明镜[33]将低温蒸发技术应用于煤化工、炼化企业高盐废水及反渗透膜浓缩母液处理，处理后水全部回用，混盐填埋。吴培熙[34]采用低温蒸发联合臭氧催化氧化工艺处理高盐、高有机污染、复杂难处理的精细化工废水。 出水COD≤30mg/L、总磷≤0.5mg/L、浊度≤6.0mg/L、色度接近0，达到国家一级排放标准及回用标准。

（2）油田废水处理

重油废液具有含油量高、悬浮物多、矿化度高的特点，一般采用盘管加热的方式进行油水分离，所需热量一般由锅炉供给。锅炉燃烧需要大量优质的水供应，加热到一定温度的水进入盘管进行热交换，现场取水比较困难，一般采用蒸发工艺，将油田废液蒸发成优质的锅炉给水。这样不仅实现了油田水的处理，还为锅炉提供了优质的水源，形成了良好的资源回收再利用模式。

采用低温蒸发处理油气田污水站、高盐高硬度稠油污水、高含硫气田废水，处理后的稠油废水二氧化硅浓度≤50mg/L、含油量≤2.0mg/L，蒸发得到的蒸馏水电导率仅为17μS/cm，满足锅炉给水要求。含硫废水通过投加复合碱、混凝剂、絮凝剂进行软化处理，深度处理后回用于热采锅炉，通过合理规划、与其他水处理工艺相结合，实现零排放。此外，采用低温蒸发技术处理钻井过程中产生的高盐废水、废弃钻井液、压裂返排液等废水，处理后的水质可达到《污水综合排放标准》中相应标准。

2.3 特殊废液处理

低温蒸发还用于油漆废液、切削液、废乳化液、精细化工废液、电镀废液等特殊废液的处理，这些废液量少，难降解有机污染物含量高，成分复杂，处理难度大，而物理化学法、膜处理法工艺流程长，维护频繁，处理成本高。

喷漆废液按来源可分为脱脂废液、磷化钝化废液、电泳废液、喷漆循环水及喷漆车间其他废液，其成分中含有大量的油漆颗粒、悬浮物、表面活性剂、乳化油及有机溶剂等，废水成分复杂，色泽变化大，这些污染物若不进行妥善处理、达标排放，将对环境造成严重污染。采用“盐析-蒸发法”处理喷漆废液，在最佳处理工艺条件下，出水COD大幅降低，COD去除率为89.3%。

采用低温蒸发技术处理切削液，处理后总悬浮物平均去除率超过99.38%，油类、COD、总氮、总磷、铜、锌的平均去除率分别为99.07%、98.64%、81.28%、99.33%、98.69%、99.79%。结合臭氧处理，可进一步提高有机污染物的去除率，处理后悬浮物、油类含量、有机物含量、总氮磷、重金属含量均达到排放标准。胡娜[39]利用低温蒸馏技术对废乳化液处理进行中试，废乳化液COD去除率可达96%以上，处理成本约为300元/t。 车然考虑到六硝基芪(HNS)生产过程中废液含有大量吡啶和多种溴代、硝基芳香族化合物的特点，在浓缩率达到86.9%时，收集到的吡啶浓度为10%～31.9%(V/V)。此时低温蒸发工艺起到了收集吡啶和降低废液TOC的双重作用。鲍金峰[41]采用低温蒸发法处理松香乳化废液，在真空压力75kPa、蒸发温度46℃下，水回收率为94%，COD去除率为97.1%，悬浮物几乎全部去除。鲍金峰[41]采用蒸发工艺处理反渗透浓水，可有效去除反渗透浓水中的NH3-N、TN和TP。 蒸发单元对氨氮、总氮、总磷的截留率均在70%以上。张晨[42]设计了化学混凝沉淀+膜浓缩+低温蒸发结晶组合工艺，处理某企业含铬清洗废液和含镍清洗废液，实现电镀清洗废液“零排放”。整个废液系统运行稳定，回用水COD、总铬、总镍均未检出，电导率≤20μS/cm，达到纯水水质标准。

2.4 废液资源化利用

低温蒸发主要用于废酸净化、废液资源化利用中的重金属回收，可以减少环境污染，在一定程度上实现资源循环利用，满足国家对环保处理的要求。

对于含铜的废硝酸和含钛的废硝酸、氢氟酸，采用低温加热使废酸中的硝酸或氢氟酸和水挥发成气体，蒸发出的酸气经冷却冷凝后生成硝酸或氢氟酸再生酸。王彦锋 [45] 设计了负压蒸馏处理装置，对废酸进行低温蒸发操作，盐酸回收率达到 84.3%，经低温结晶得到氯化亚铁晶体，其中的铁盐可用于制备 PFAC 絮凝剂，实现了含铁盐酸洗废液的综合资源化利用。刘淼 [46] 将低温蒸发法应用于酸洗电镀废液的处理，一方面实现了 Fe/HCl 的有效分离，另一方面将生成的铁盐进行资源化利用，过程中无副产品和废气排放。 王建 [47] 以烟气冶炼制酸工段产生的废酸为研究对象，采用低温蒸发浓缩工艺分离回收F、Cl、As及多种有价值重金属，实现废酸资源化回收目标的可行性。在反应温度75 ℃、压力-0.1 MPa、转速20 r/min条件下，F和Cl的回收率分别为93.49%和90.35%，仅有0.01%的As进入冷凝液（As浓度为0.01 mg/L）。王瑞 [48] 采用低温蒸发法浓缩回收硫酸、NaClO氧化、聚合氯化铝混凝沉淀组合工艺处理二硝基氯苯生产废水。 经处理后废水中硝基苯化合物≤5mg/L，处理后出水达到《废水综合排放标准》三级排放标准。同时硫酸可回收率达90%。另外，钛及钛合金加工过程中产生的残液主要成分为硫酸钛，含酸钛液pH值控制在2-3，经低温蒸发后，钛回收率可达95%以上，而其它金属离子则继续残留在溶液中。

3 存在的问题及发展趋势

目前低温蒸发在工业废液处理、废液浓缩减量及资源化利用中得到广泛应用，但仍然存在效率低、蒸发速度慢、能耗高等问题。对于一些清洗废液，蒸发过程中产生的泡沫较多，部分蒸发液会进入冷凝液，导致处理后的废液不达标。今后将开展大量工作对这些问题进行研究。研究主要集中在以下几个方面。

（1）从热源角度，低温蒸发技术中的供热与太阳能、空气源热泵等新技术相结合，对于一些处理量较小的废液，可以进行循环蒸发处理，提高蒸发效率；另一方面充分考虑企业余热或废热的利用，以低成本处理高浓度废液，降低能耗。

（2）开展与其他预处理技术的组合技术研究，根据废水中特征污染物的特点，有针对性地选择组合技术，如等离子体预处理、微电解、臭氧催化氧化、膜过滤等技术，进一步提高处理效果。同时对有机污染物的成分和特性进行分析，避免泡沫、腐蚀和结垢问题的产生，并对废水的蒸发机理进行深入研究，实现废水减量化、资源化、零排放技术的推广应用。

（3）设计一种适用于高粘度流体的新型填料蒸发器，优化结构性能，增加传热表面积，提高传热传质效率。在分析非稳态三维气液流动特性的基础上，研究填料蒸发器内的蒸发过程并计算蒸发系统的整体性能，开发设计一种高效稳定的蒸发器。

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