合成化工高鹽廢水的零排放工藝設(shè)計(jì)及研究

摘要：針對(duì)某合成化工廠產(chǎn)生的含高濃度硝酸銨廢水，設(shè)計(jì)了一套零排放處理工藝。該工藝首先對(duì)廢水進(jìn)行絮凝沉淀和過(guò)濾，去除重金屬Cu2 + 后，采用機(jī)械蒸汽再壓縮( MVR) 技術(shù)對(duì)其進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，至硝酸銨濃度≥30%。濃縮液可作為化肥企業(yè)的生產(chǎn)原料。MVR 冷凝水經(jīng)膜過(guò)濾系統(tǒng)處理后，TDS≤50mg /L，回用至生產(chǎn)過(guò)程。

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，許多生產(chǎn)領(lǐng)域像化工、紡織、農(nóng)藥、化肥等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高鹽廢水。這些廢水中除了含有有機(jī)污染物外，還含有大量的無(wú)機(jī)鹽，如NaCl、Na2SO4、Na2CO3等。過(guò)高的鹽含量對(duì)一般微生物有較強(qiáng)的抑制作用，單純的生物處理技術(shù)往往難以達(dá)到所要求的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。若這些高鹽廢水未經(jīng)處理直接排放，不僅會(huì)造成環(huán)境污染，更重要的是會(huì)引起土壤的鹽堿化。但如果對(duì)廢水中的無(wú)機(jī)鹽加以回收，既可以作為生產(chǎn)過(guò)程的原料、節(jié)約成本、避免資源的浪費(fèi)，又可以避免環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)使用，達(dá)到“零排放”的目的。

“零排放”是指無(wú)限地減少污染物和能源排放直至為零的活動(dòng)：即利用清潔生產(chǎn)、3R( Reduce，Reuse，Recycle) 及生態(tài)產(chǎn)業(yè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然資源的完全循環(huán)利用，從而不給大氣、水體和土壤遺留任何廢物[2]。“零排放”在我國(guó)20 世紀(jì)70 年代已經(jīng)開(kāi)始摸索，直到近十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，水污染和水資源缺乏已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，“零排放”才逐漸受到政府、社會(huì)的重視。本工程即針對(duì)某合成化工廠的含高濃度硝酸銨廢水，采取了物化過(guò)濾、蒸發(fā)濃縮和膜提純等工藝對(duì)其進(jìn)行有效的處理和綜合回收利用，實(shí)現(xiàn)了該股廢水的真正零排放。

1 工程概況

1. 1 原水水質(zhì)

該合成化工廠在生產(chǎn)所需催化劑的過(guò)程中，產(chǎn)生一定量含有銅離子、硝酸銨的廢水。其水質(zhì)如下：Cu2 + 54. 3 mg /L，NH +4 -N 5. 75 × 103 mg /L，NO -3 -N7. 52 × 103 mg /L，TDS 3. 02 × 104 mg /L，TOC 114mg /L

1. 2 工藝設(shè)計(jì)

從上面數(shù)據(jù)可以看出，該廢水中含有一定量的重金屬銅離子和濃度較高的硝酸銨鹽，采用常規(guī)的生化方法難以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。因此，經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)論證，最終設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)單先進(jìn)的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)廢水資源的零排放。

由于該廢水中主要成分都是無(wú)機(jī)鹽，TOC 值很低，基本不含有揮發(fā)性物質(zhì)，同時(shí)廢水中主要無(wú)機(jī)鹽成分為硝酸銨，可以作為生產(chǎn)化肥的原料。因此，工藝設(shè)計(jì)中主要利用蒸發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)硝酸銨的濃縮回用。同時(shí)由于廠區(qū)附近沒(méi)有可以利用的蒸汽源，因此本設(shè)計(jì)工藝選用機(jī)械蒸汽再壓縮( MVR) 技術(shù)。與傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)工藝對(duì)比，MVR 是一種高效節(jié)能的蒸發(fā)濃縮技術(shù)[3]，其基本原理是將蒸發(fā)器分離出來(lái)的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，溫度、壓力升高，熱焓增大，然后進(jìn)入蒸發(fā)器加熱室當(dāng)作加熱蒸汽使用，使?jié)饪s液維持沸騰狀態(tài)，而加熱蒸汽本身則成冷凝水，從體系排出[4]。此過(guò)程不但回收了潛熱，提高了熱效率，而且節(jié)省了冷卻水，達(dá)到了節(jié)能節(jié)水的目的。

由于回用的硝酸銨用于化肥生產(chǎn)，因此為了保障MVR 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和最終回收濃縮液的質(zhì)量，需要首先去除廢水中的銅離子。在廢水中加入過(guò)量Na2S生成CuS 絮體，然后加入助凝劑進(jìn)行絮凝沉淀后過(guò)濾，濾清液再進(jìn)入MVR 系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步濃縮。

根據(jù)化肥廠的要求，蒸發(fā)濃縮后硝酸銨的濃度為30%左右。而MVR 冷凝水經(jīng)過(guò)反滲透( RO) 系統(tǒng)[5]處理后達(dá)到生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)，廠方可進(jìn)行回收利用，RO系統(tǒng)的濃縮水重新進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)。整套工藝實(shí)現(xiàn)了廢水的零排放，具體的工藝流程如圖1 所示。

2 結(jié)果與分析

2. 1 預(yù)處理工藝

在廢水預(yù)處理的過(guò)程中加入了過(guò)量的硫化鈉去除銅離子，處理效果如下：原水、調(diào)節(jié)池、中間水箱1銅離子濃度分別為54. 3 mg /L、51. 7 mg /L 和0. 21mg /L，中間水箱2 未檢出銅離子。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，原水進(jìn)入調(diào)節(jié)池靜置一段時(shí)間后，少部分銅離子由于化學(xué)反應(yīng)沉降到底部，上層澄清液銅離子濃度有所下降;經(jīng)絮凝反應(yīng)后中間水箱1 銅離子濃度已經(jīng)非常低，而經(jīng)過(guò)濾后中間水箱2未檢出銅離子，達(dá)到較好的去除效果。

2. 2 MVR 工藝

MVR 工藝設(shè)計(jì)為連續(xù)過(guò)程，但調(diào)試階段為盡快達(dá)到最大濃縮倍數(shù)，需要封閉式運(yùn)行，即設(shè)計(jì)進(jìn)水流量為0. 7t /h，關(guān)閉濃縮液出水，冷凝水出水量約0. 5 ～0. 6t /h。通過(guò)這種方式來(lái)盡量達(dá)到蒸發(fā)器設(shè)計(jì)要求的濃縮倍數(shù)。

為了監(jiān)測(cè)MVR 系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在系統(tǒng)內(nèi)安裝了4 個(gè)溫度探針，分別指示：蒸發(fā)器內(nèi)濃水的溫度( T1) 、水蒸氣的溫度( T2) 、水蒸氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增溫增壓后的溫度( T3) 和濃水與壓縮蒸汽換熱后的溫度( T4) 。在硝酸銨廢水蒸發(fā)濃縮過(guò)程中，每2 小時(shí)監(jiān)測(cè)一次各溫度的變化與水質(zhì)的變化( 共20 次) 。同時(shí)，設(shè)置了一個(gè)試驗(yàn)，在常壓下對(duì)硝酸銨廢水進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，驗(yàn)證廢水蒸發(fā)后的沸點(diǎn)( T0) 變化，結(jié)果如圖2所示。

從圖2 可以看出，隨著硝酸銨濃度的增大，蒸發(fā)濃縮液的溫度也隨之升高，這是因?yàn)橄跛徜@溶液的沸點(diǎn)隨著濃度的增大而升高，導(dǎo)致溫升增大，因此蒸發(fā)濃縮的倍數(shù)越大，蒸發(fā)時(shí)間越長(zhǎng)，耗能越多。從T2 與T3 比較可以知道，蒸汽壓縮機(jī)增溫效果為4 ～ 5℃。從T3 與T4 的差值比較可以了解換熱器的換熱效率，若T3 遠(yuǎn)高于T4，說(shuō)明換熱器的換熱效率下降，從而判斷換熱器發(fā)生堵塞現(xiàn)象，要進(jìn)行清洗。T0 為正壓沸點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)值，通過(guò)T0 與T1 的比較，可以知道它們之間的差值在10 度左右，通過(guò)負(fù)壓法可以降低硝酸銨廢水的沸點(diǎn)，降低能耗，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 3 RO 系統(tǒng)

MVR 冷凝水經(jīng)過(guò)RO 系統(tǒng)后，處理效果如下：進(jìn)水、出水和濃水的TDS 分別為735 mg /L、49 mg /L 和1. 52 × 103 mg /L。

編輯：王媛媛