高盐化工废水处理工艺研究进展_刘花春.pdf

2023 年第 2 期综述随着国民环保意识的提高，化工废水的处理及排放受到了广泛的关注。化工废水的排放逐年增加，不仅造成日益严重的环境污染，还对居民的安全和健康有着严重的威胁 1。化工领域产生的废水通常具有成分复杂、难降解的特点，处理过程较为复杂，效率低下。其中，含盐废水的不当排放会造成地下高盐结晶，给我国环境污染问题的解决带来莫大的烦恼 2。因此，合理的采用污水处理方式，以及对现有的污水处理方式进行优化与改进成为亟待解决的科学问题。本文基于高盐化工废水的定义，并介绍了常见高盐化工废水的来源及处理工艺，总结并详细阐述了各种工艺的优缺点及应用场景，以期为选择高盐废水处理工艺提供思路与帮助。1概述1.1高盐化工废水高盐废水，是指总体废水中盐类质量分数占比达到 1%以上的化工废水，当废水中 NaCl 浓度为10g L-1以上，或是总溶解性固体浓度达到 600mg L-1以上，均可视为高盐废水。高盐废水中含有多种无机离子和有机物，处理过程较为复杂 3。1.2高盐化工废水来源高盐废水的来源较广，不仅产自于化工产品制造过程中，日常生活中的消防用水，防结冰用含盐水，或是高盐冲厕用水等，均是高盐废水排放的组成部分 4。此外，沿海城市的工业循环冷却海水也是高盐废水的主要来源。某些含盐量较高的地下水和湖泊等，较为著名的高盐量湖泊如位于青海的大柴达木湖，河套部分的高盐地下水等，也是高盐废水的来源之一。其中，工业废水和海水利用后的废水是主要来源 5。1.2.1海水替代废水沿海城市的海水资源丰富，利用海水对非生活用水的淡水资源进行代替处理是沿海城市发展和降低经济成本的重要方法和必然趋势。然而，传统的海水资源利用率较低，不仅消耗大量的资源，大面积的海水使用也会带来高密度的高盐废水的排放 6。而对于经济多元化而言，对高盐废水的治理成本较大，效率较低，因此，海水的利用常见于工厂的冷却或是生活中的冲厕等过程中。相对于化工高盐废水而言，海水利用产生的高盐废水少高盐化工废水处理工艺研究进展刘花春（青海金世纪工程项目管理有限公司，青海 格尔木 816000）摘要：随着化工领域的迅速发展，作为副产物的化工废水排放量也在逐年增多，化工废水的排放一直是环境保护的痛点问题，如何平衡化工的发展和污水的处理排放是当今企业所必须思考的问题。本文基于以上问题，介绍了目前对于高盐化工废水的处理工艺及各种工艺的流程、处理效果，指出各类工艺存在的问题与不足，并展望了未来高盐废水处理工艺的发展方向。关键词：废水处理；电渗析；纳滤；反渗透；多效蒸发中图分类号：X703文献标识码：AResearch and development of high-salt chemical industry wastewater treatment processLIU Hua-chun（Qinghai Jinshiji Engineering Project Management Co.,Ltd.,Golmud 81600,China）Abstract:Chemical industry wastewater discharge increasing year by year with the development of chemical industry,thus has been a painful problem for environmental protection.Herein,this paper introduces the currenttreatment processes for high-salt chemical wastewater in detail and analyzes the process and treatment effects ofvarious processes in detail,points out the problems and shortcomings of various processes,and looks forward to thefuture development direction of high-salt wastewater treatment processes.Key words:wastewater treatment;electrodialysis;nanofiltration;reverse osmosis;multi-effect evaporationDOI：10.16247/ki.23-1171/tq.20230268收稿日期：2022-11-14作者简介：刘花春（1988-），女，青海互助人，汉族，工程师，青海大学化学工程与工艺专业，大学本科，主要研究方向：化工工艺设计。Sum329 No.2化学工程师ChemicalEngineer2023 年第 2 期2023 年第 2 期有有机物的掺杂，但其无机废物的含量要高出许多，直接影响相关生物生存活性。在对海水利用后的高盐废水处理时，需要考虑整体处理工艺的设计以全面提升处理排放效果，降低高浓度污染物对周围环境，尤其是土壤和谈水资源的干扰。1.2.2工业废水在化工领域中，虽然石油天然气开采和加工行业的排放废水都为含盐废水，但相较而言，印染、造纸、食品和制药等行业排出的工业废水含盐量要高出许多，是标准规定下的高盐废水。而化工领域的废水不仅具有相当高的离子浓度，其有机负荷量同样较大，并且，通常还具有芳香烃、烯烃等可溶性剧毒有机物，难以降解，对环境的破坏较大，在没有对废水进行严格的处理后，排放达不到国家规定的排放标准时，很容易导致周边生态环境的破坏 7。2处理工艺2.1预处理工艺2.1.1混凝-沉淀法通过在废水中加入相关药物使废水絮凝，在经过气浮、沉淀后，初步降低废水中盐量和污染物的预处理工艺，常用于 CODCr5000mg L-1的废水中，使用此方法对污水预处理的成本较低，但在后续处理过程中，如蒸发浓缩结晶除盐系统中，结晶产生的盐质相对较差 8。2.1.2芬顿/电-芬顿催化氧化法芬顿（Fenton）试剂，主要成份为具有强氧化性的 H2O2和 Fe2+，可氧化降解大多数有机污染物，常用于对污水中有机物的初步处理，出水后经过沉淀净化后即可实现预处理目标 9。使用芬顿法预处理废水时，废水 pH 值需控制在 3 左右，处理完毕后 Fe2+会氧化为 Fe3+，因此，沉淀产物中具有较多含铁污泥，出水颜色略微偏红10。由于芬顿或电-芬顿法对污水 pH 值的要求，当废水中含有酸性物质或是化工厂内含有其他酸性废水时，会进一步降低此方法的经济成本。因此，当废水 CODCr过高（10000mg L-1）时，不建议使用芬顿法 11。2.1.3双膜法通过半透膜工艺对污水进行超滤处理，实现对污水中污染物的多元化处理的预处理方法，对污水处理的效率较高，对整体大物质均有较好的处理效果，是污水处理领域中应用较为广泛的处理工艺之一。通过选取不同的半透膜，可以实现对污水进行多层次多角度的处理，保证了预处理的效果，降低后续蒸发结晶步骤的流量和运行的经济成本，在实际工程中有着明显的优势 12。2.1.4O3/催化/混凝复合预处理O3的强氧化性使其具有杀菌、除臭、脱色等多种作用，在污水处理领域中，常将其作为催化剂和混凝剂使用，以实现在密闭条件下的协同反应，使用 O3对污水进行预处理有着明显的优势，在整个污水处理过程中实现对污水中有机物长链结构的破坏，有效提升污水的可生化性。同时，O3对于污水中胶体污染物的处理较为全面，提高了污水处理的整体效果。值得注意的是，O3对于无机盐离子和氨氮化合物并没有降解作用，因此，臭氧复合预处理法的局限性较大，常作为综合处理的一部分使用，以期达到全面提高污水处理效果的目标 13。2.2热蒸发结晶除盐工艺在经过污水预处理步骤后，污水中的有机物等物质初步分离，出水的污水可以经过工艺实现对污水中无机盐离子的回收和利用，并得到可循环利用的淡水资源，其中热蒸发结晶除盐工艺是目前最为常见的工艺。经过多年的发展，热蒸发结晶除盐工艺从最初的蒸发-浓缩的简单工艺发展到现在多效蒸发、机械压缩再蒸发等技术，下面对这两个新型工艺进行简单的介绍。2.2.1多效蒸发（Multiple Effect Distillation，MED）技术多效蒸发指的是对高盐废水整体进行加热，使其产生一次蒸汽后以进行相关处理，以二次蒸汽为动力实现串联蒸发处理工艺 14。在多效蒸发工艺中，“效”的含义更倾向于“组”的概念，即同一组相关的蒸发器称为一效，这样的处理方式可以保证单节工艺下蒸发器的处理效果大致相同，有效提升蒸发工艺的整体效率，典型的三效蒸发技术原理见图 115。通常而言，多效蒸发技术常用 25 效，第一效中产生的二次蒸汽在经过处理后成为第二效蒸发器中的热源，同理，第 n 效中的二次蒸汽则成为第 n+1 效中蒸发器的热源，多效蒸发器对二次蒸汽的利用，可加热蒸汽料液冷凝水冷凝水冷凝水完成液二次蒸发3 效2 效1 效图 1典型顺流三效蒸发示意图Fig.1Schematic diagram of a typical downstreamtriple effect evaporation刘花春：高盐化工废水处理工艺研究进展692023 年第 2 期以有效降低污水加热过程中能量的消耗，贴合目前绿色发展理念，经过多效处理后的加热蒸气最高可实现同等重量污水的加热，表 1 是多效蒸发技术中不同效数蒸发 1t 污水所需的 1 次蒸汽量，可以看到，随着效数的增大，蒸发水所需的一次蒸汽量也随之降低，即得到多级蒸发器的存在也提升了污水的处理效率的结论 16。除此之外，由于多效蒸发工艺多样的处理方式，常见的并流法、逆流法、平流法、混流法等适用于高盐、高有机物含量等污水中，所以在高盐废水处理中有着极为广阔的应用。同时，利用多效蒸发工艺与膜技术的配合，甚至可以实现污水处理的“零排放”工艺。多效蒸发器的分类有许多，多以按照多效蒸发的蒸发结构和蒸发流程分类为标准，按照蒸发结构可将其分为循环型和单程型两种，其中循环型蒸发器有垂直短管式蒸发器，外加热式蒸发器和强制循环蒸发器 3 大主要分类，单程型蒸发器主要以升膜式蒸发器、降膜式蒸发器和旋转刮片式蒸发器 3 类为主。按照蒸发流程，即蒸发工艺的加料方式则以并流法、逆流法、平流法、混流法 4 个蒸发流程为主，并流法又称顺流法。图 2 简要归纳了这 4 种方式的蒸发原理和流程示意图 17。随着技术的发展，研究人员在对多效蒸发技术进行更为精细的规划和蒸发效率的探索，其中，刘伟在对以多效蒸发技术处理石油化工领域产生污水的研究中指出，污水处理的加料方式对蒸发效率的影响尤为明显 18。研究结果显示，进料方式主要以影响出料水的盐浓度与蒸发器的蒸发效率的方式导致最终蒸发的差异，在以顺流法加料方式进行蒸发处理时，出料浓度与蒸汽含量随着效数的增加正比增大，但其成本较高；而逆流法则得到相反的结果，其出料的造水比变大而蒸汽含量较低，经济成本也比顺流法要低出许多。2.2.2机械压缩再蒸发（Mechanical Vapor Recom-pression，MVR）技术机械压缩再蒸发处理工艺顾名思义，是利用蒸发器对污水进行加热产生二次蒸汽，再以高效蒸汽压缩机提高蒸发器中的温度和压力，利用二次蒸汽作为加热能源，二次蒸汽冷凝回收的同时对污水进行加热的处理技术 19。机械压缩再蒸发的优势在于，不仅可以回收二次蒸汽的潜热，节约大量能源消耗，还可以跳过冷却过程，减少循环冷却水的用量，大大提升了热效率，降低处理过程的热源浪费，其原理见图 3。表 1蒸发 1t 污水所需 1 次蒸汽含量Tab.1Primary steam content required to evaporate 1tof wastewater效数单效双效三效四效五效新蒸汽量/t1.10.570.410.320.27加热蒸汽完成液一效二效三效料液冷却水不凝性气体水（a）并流加料方式加热蒸汽完成液一效二效三效料液冷却水不凝性气体水（b）逆流加料方式加热蒸汽料液完成液水冷却水不凝性