基于MVR技術的高濃度乳化廢水處理研究

葉興剛

摘 要： 本文就MVR技術在汽車行業的高濃度乳化廢水處理工藝進行了介紹，并就常見的幾種廢水類型開展了中試試驗，對比了去除效率（%）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、磷酸鹽（以P計）、進料量（M）、單位耗能（Q）、壓縮比ε等指標隨MVR運行時間（T）的變化關系，結果表明：乳化液廢水的單獨處理效率較高（>99.5%）、耗能較低，且排放濃液更加均一穩定，但由于入口濃度高達100000mg/L以上，出水濃度也較高，需要加設后續處理設施。

關鍵詞： MVR 乳化廢水；化學需氧量；壓縮比；單位能耗

中圖分類號： X76 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-8153（2016）01-0100-07

1 引言

MVR（mechanical vapor recompression）蒸發濃縮技術是基于MVR蒸發器原理實現能源得以充分利用的一種高效蒸發技術。它利用高能效蒸汽壓縮機壓縮蒸發產生的二次蒸汽，提高二次蒸汽的壓力和溫度，被提高熱能的二次蒸汽打入蒸發室對擬蒸發物料再進行加熱，通過蒸發器自循環來達到利用二次蒸汽已有的熱能而不外加新鮮蒸汽，并實現蒸發濃縮的目的。目前在國內正被越來越多地研發應用于化工、制藥、廢水處理等諸多領域。

汽車行業高濃度乳化廢水包括乳化廢液、清洗廢水兩類，其主要污染物有COD、SS、石油類、氨氮、pH等。以COD為例，乳化廢液的COD值高達100 000 mg/L以上、清洗廢水COD值大約為30 000-60 000 mg/L。這種高濃度乳化液廢水的危害主要體現在影響潔凈的自然水源、惡化水質、危害水產資源；污染大氣；影響農作物生長等方面。針對汽車行業的高濃度乳化液廢水，人們研究了很多種治理方法，根究分離機理，大致可分為物理法、化學法、物理化學法[1]。但基于MVR的乳化液處理技術尚未見報道，本試驗借鑒大眾（德國）發動機乳化液廢水的處理經驗，采用國產設備開展了中試試驗，以期獲取其水質、能耗等相關的數據，為該技術的應用推廣提供參考。

2 試驗設計

2.1 工藝流程圖及其說明

2.1.1 工藝流程圖及其說明

如上圖所示：原料進入熱交換器Ⅰ（1）與來自冷凝水儲罐（7）的熱水間壁接觸實現物料預熱，然后與汽化分離室（2）中的濃縮液經強制循環泵（5）一起泵入熱交換器Ⅱ（4），繼而在汽化分離室（2）完成氣液分離。

為了提高能源的利用效率，從汽化分離室（2）排放的二次蒸汽經機械蒸汽壓縮機（3）再壓縮得以升溫升壓后，替代部分生蒸汽作為熱源對原料進行加熱；原料液吸熱后蒸發的蒸汽繼續進入下一個循環。當系統穩定運行時，停供生蒸汽，由系統內部蒸發的蒸汽經壓縮機再壓縮后作為加熱蒸汽；此后，蒸發所消耗的能量僅為壓縮機的能耗 P。

2.2 監測數據

該試驗中主要監控的設備運行參數包括：溫度T（℃）、壓力P（atm）。以上指標為在線儀器監測。試驗水質指標的變化主要通過原料、濃縮液及蒸發出水這三部分的水質情況來表達。具體的檢測因子包括：COD、氨氮、PO3-4 等，水樣的水質監測均采用國標方法測定，其中：COD的測定采用密閉消解分光光度法、氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法、PO3-4 的測定采用鉬酸銨分光光度法，測定所用主要儀器為DR890分光光度計、DRB200數字消解器。

數據的采集：自物料加熱至75℃（以汽化分離罐溫度計）為起點開始記錄設備運行參數，間隔時間為30min；同時采集兩個點（濃縮液采樣點、出水口采樣點）處的水樣；濃縮至壓縮機出現自動保護而不能繼續濃縮為止（溫度約為92-95攝氏度）；物料的加入量（M）及電消耗量（Q）均以開始加熱為累計起點。

2.3 中試試驗的基本情況

本次基于MVR技術的高濃度乳化廢水處理試驗分為三個批次進行，主要考察了其濃縮比、濃縮出水水質（COD、氨氮、PO3-4 等指標）、能耗。自物料加熱至接近75℃時開始記錄設備運行參數，間隔時間為30min；同時采集兩個點（濃縮液出口、排水口）處的水樣。

其中：1#水樣為一廠發動機車間污水站乳化液廢水，試驗時間5月8日19：30至5月9日21：30，試驗時間共計28h；2#水樣為MQ200污水站乳化液廢水（含其清洗廢水）處理后的濃液，試驗時間5月11日15：00至5月13日17：00，試驗時間共計50h；3#水樣為一廠發動機車間污水站乳化液廢水和MQ200污水站乳化液廢水處理濃液按照1：1的混合水樣，試驗時間5月15日18：00至5月17日10：00，試驗時間共計40h。

現象描述：1#水樣在蒸發濃縮過程中，油水分離明顯，停機時，濃縮液幾乎全為黑色油狀液體，如圖2所示。2#水樣在蒸發濃縮過程中，油水分離不明顯，停機時取樣，靜置0.5h后分層，如圖所示。3#水樣在蒸發濃縮過程中，油水分離明顯，停機后取樣分別靜置10min、24h后，出現明顯分層，如圖3、4所示。

3 試驗結果及分析

3.1 水質對比分析

從COD變化來分析：以MVR運行時間為X軸、以COD值為Y軸建立水樣的濃縮液及蒸發出水的COD變化圖。由圖6可看出COD的去除率在5h就可以維持在99.5%以上，而濃縮液快速攀升至900 000 mg/L有短暫的停留，后在18h左右再升至1 400 000 mg/L，并維持不變，相應的出水也能較好地穩定在2 000～4 000 mg/L之間。由圖7可看出COD值大部分時間維持在40 000～100 000mg/L之間，且COD的升高速度較慢，但是去除率仍然可以維持在99%以上，且出水中的COD含量相對較低（約500mg/L），這主要原因在該處使用的原料來自于混凝-超濾系統的濃液儲存罐，其中大量的可測定COD已被去除。在圖8中濃縮液和出水的COD變化較大，看似無規律可循，這主要是因為1#樣和2#水樣按照1：1混合之后出現分層，實驗人員的間歇人工攪拌導致進水水質不均，故檢測結果變化較大，但去除率也維持在99%以上，且出水COD含量均<800mg/L。

從N、P變化來分析：以MVR運行時間為X軸，以出水的氨氮（NH3-N）、磷酸鹽（以P計）濃度為Y軸監測蒸發出水的N、P變化。由圖9、10、11可以看出：隨著MVR運行時間的推移，1#水樣的蒸發出水氨氮值穩定在3 mg/L以下、磷酸鹽值穩定在2.0 mg/L以下，2#水樣的蒸發出水氨氮值穩定在0.3 mg/L以下、磷酸鹽值穩定在1.5 mg/L以下，3#水樣的蒸發出水氨氮值穩定在0.53 mg/L以下、磷酸鹽值穩定在1.5 mg/L以下，最終出水排水進入城市污水處理廠，相應執行綜合污水排放標準（GB18918-2002）中的三級標準即可。

考慮到汽車發動機加工工藝的中水回用問題，此處參照《城市污水再生利用 工業用水水質》（GB/T19923-2005）相應指標可知：基于MVR技術的蒸發出水可以用作直流冷卻水、洗滌用水；若用作乳化液配置的溶劑，則可能存在總磷超標而影響加工質量。

綜合圖6～11可以得出：單從水質的變化來看，1#、2#、3#水樣隨著濃縮時間的推移，濃縮液的COD濃度提升明顯，而蒸發出水的COD濃度顯得相對較為穩定，且設備運行5h以后3個水樣的COD去除率均在99%以上。從三批水樣的運行穩定性來看：乳化液廢水（濃度在8～10%）單獨收集處理的效果相對較好，且COD去除率可維持在99.6%以上，但是因為單獨收集的乳化液廢水COD濃度130 000 mg/L，故蒸發出水濃度（COD值 2 000±500 mg/L）相對較高，需要進行后續處理。結合N、P的檢測結果，無論使用好氧處理（按營養需求BOD5：N：P=（100～150）：5：1計）還是厭氧處理（按營養需求BOD5：N：P=350：5：1計）都需要額外添加營養物質。

3.2 耗能、壓縮比的對比分析

單位能耗Q是指處理單位質量的廢水所消耗的能量，本文以處理1 t廢水所消耗的電能（單位kWh）來計算。對比圖12、13、14可以發現：（1）1#、2#、3#水樣分別在30 h、7 h、10 h之后開始轉入穩定的耗能階段，前期的耗能普遍較大且能耗的上升速率較快，主要原因在于該階段需要將物料加熱升溫至80℃左右、另還需將自來水加熱產生的大量初始蒸汽，為此消耗了大量的能量；（2）1#水樣的耗能在物料1 h達到高點，對應溫度為78.5℃，隨著溫度的進一步升高，二次蒸汽的產生量逐漸增大、能量的回收利用率越來越高，隨著時間后延至20 h左右設備運行參數趨于穩定，能耗值主要就是機械壓縮裝置的電耗，并維持在150 kWh/t（廢水）；2#變化趨勢較為平緩，與1#水樣有些類似，但是單位能耗的變化不是太大，且后來處在約 200 kWh/t（廢水）；3#水樣在MVR運行時間為 30 h-44 h時，進料量和能耗均發生了突變，這可能是由于原料的分層導致的結果，后續能耗仍在呈現下降趨勢并逐步接近200 kWh/t（廢水）。

壓縮比ε是指進、出蒸汽壓縮機的蒸汽壓強Pi、P0的比值，或指蒸發器蒸汽壓強與壓縮機出口壓強的比值，以ε表示，ε=P0/Pi[2]。溫升△T表征的是二次蒸汽在壓縮機的機械作用下產生的內能升高情況，本文通過溫度差異來體現，將進口溫度（即自汽化分離室產生的二次蒸汽溫度）記作T1，出口溫度（即蒸汽壓縮后的溫度）記作T2，則△T= T2- T1。由圖12、13、14可以看出壓縮比與溫升保持了較好地一致性，從設備的實際運行參數驗證了整個運行過程的穩定性和獲取數據的可信性。

綜合設備運行的監控數據，我們可以發現不同的水質就能耗而言，單獨收集乳化液進行處理的成本不到后兩種處理方式的75%，且進料的頻率較為穩定，筆者認為1#水樣單獨處理的設備運行優勢主要體現在：（1）進料泵可以更加穩定地進料，特別是在10 h進料始終維持在0.1 t/h左右；（2）能耗的穩定意味著機械壓縮機可以持續穩定的按照某一個頻率運行，可以有效減少對管道、設備等的沖擊，從而大大降低維護、維修的成本。

綜合上述試驗中的水質變化和設備運行參數情況，我們可以得出MVR技術對1#水樣的處理效果和設備運行效果更具有優勢。

4 結論

本文通過對三批試驗水樣的水質及平均耗能等試驗結果的對比可以看出：（1） MVR技術是實現乳化液油水分離的有效途徑，COD的去除率高達99%以上。（2）廢水處理的耗能與乳化廢液含水率息息相關，即乳化廢液所占比重越大，耗能越小；反之，廢水含水率越高，綜合耗能越大。本次試驗的1#水樣（乳化液的含水率為90%-92%）的電耗為150 kWh/t，相比較傳統的混凝-氣浮、混凝-沉淀、混凝-超濾等方法具有明顯的優勢。（3）乳化廢液濃度越高，成分越單一越有利于進一步濃縮且分層越少，原料的均一穩定更加有利于設備運行的穩定，能有效降低運行的維護成本。（4）1#水樣的蒸發出水澄清度高，可適當考慮內部系統的回用；但是其COD含量相對較高，在外排前必須外加N、P等營養物質再進行生物處理；1#水樣的濃縮液均一穩定，可作為廢油進行回收利用，具體的用途還有待做進一步的研究。

綜上所述，MVR處理技術處理汽車行業的高濃度乳化液廢水行之有效，且建議采用“分類收集、單獨處理”為宜。

[參考文獻]

[1]張金彪.絮凝-氧化鋯膜微濾處理軋鋼乳化液廢水[M].天津：天津大學碩士學位論文.2007：6.

[2]陳 偉，張 紅.化工工藝設計手冊[M].化學工業出版社，2009：964-1000.

Research on Highly-concentrated Emulsified Wastewater Treatment

Based on MVR Technology

YE Xing-gang

（Hubei Industrial Polytechnic，Shiyan 442000.China）

Abstract： This paper introduces the treatment of highly-concentrated emulsified wastewater in automobile industry based on the MVR technology，applies pilot scale tests on several kinds of wastewater. And comparisons are made on changes of parameters of removal efficiency（%），chemical oxygen demand（COD），ammonia（NH3-N），phosphate（P），feed rate（M），unit energy consumption（Q），and compression ratio（ε）in accordance with the running time（T）of MVR. The result shows that when it is treated individually，the treatment efficiency is higher（>99.5%），the energy consumption lower，and the emissions concentration more stable. However，since the inlet concentration is as high as over 100000 mg/L，the outlet concentration turns higher accordingly， and subsequent treatment facilities should be set.

Key words： MVR emulsified wastewater；COD；compression ratio；unit energy consumption