基于MVR技术的高浓度乳化废水处理研究

叶兴刚

摘 要： 本文就MVR技术在汽车行业的高浓度乳化废水处理工艺进行了介绍，并就常见的几种废水类型开展了中试试验，对比了去除效率（%）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、磷酸盐（以P计）、进料量（M）、单位耗能（Q）、压缩比ε等指标随MVR运行时间（T）的变化关系，结果表明：乳化液废水的单独处理效率较高（>99.5%）、耗能较低，且排放浓液更加均一稳定，但由于入口浓度高达100000mg/L以上，出水浓度也较高，需要加设后续处理设施。

关键词： MVR 乳化废水；化学需氧量；压缩比；单位能耗

中图分类号： X76 文献标识码： A 文章编号： 2095-8153（2016）01-0100-07

1 引言

MVR（mechanical vapor recompression）蒸发浓缩技术是基于MVR蒸发器原理实现能源得以充分利用的一种高效蒸发技术。它利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽，提高二次蒸汽的压力和温度，被提高热能的二次蒸汽打入蒸发室对拟蒸发物料再进行加热，通过蒸发器自循环来达到利用二次蒸汽已有的热能而不外加新鲜蒸汽，并实现蒸发浓缩的目的。目前在国内正被越来越多地研发应用于化工、制药、废水处理等诸多领域。

汽车行业高浓度乳化废水包括乳化废液、清洗废水两类，其主要污染物有COD、SS、石油类、氨氮、pH等。以COD为例，乳化废液的COD值高达100 000 mg/L以上、清洗废水COD值大约为30 000-60 000 mg/L。这种高浓度乳化液废水的危害主要体现在影响洁净的自然水源、恶化水质、危害水产资源；污染大气；影响农作物生长等方面。针对汽车行业的高浓度乳化液废水，人们研究了很多种治理方法，根究分离机理，大致可分为物理法、化学法、物理化学法[1]。但基于MVR的乳化液处理技术尚未见报道，本试验借鉴大众（德国）发动机乳化液废水的处理经验，采用国产设备开展了中试试验，以期获取其水质、能耗等相关的数据，为该技术的应用推广提供参考。

2 试验设计

2.1 工艺流程图及其说明

2.1.1 工艺流程图及其说明

如上图所示：原料进入热交换器Ⅰ（1）与来自冷凝水储罐（7）的热水间壁接触实现物料预热，然后与汽化分离室（2）中的浓缩液经强制循环泵（5）一起泵入热交换器Ⅱ（4），继而在汽化分离室（2）完成气液分离。

为了提高能源的利用效率，从汽化分离室（2）排放的二次蒸汽经机械蒸汽压缩机（3）再压缩得以升温升压后，替代部分生蒸汽作为热源对原料进行加热；原料液吸热后蒸发的蒸汽继续进入下一个循环。当系统稳定运行时，停供生蒸汽，由系统内部蒸发的蒸汽经压缩机再压缩后作为加热蒸汽；此后，蒸发所消耗的能量仅为压缩机的能耗 P。

2.2 监测数据

该试验中主要监控的设备运行参数包括：温度T（℃）、压力P（atm）。以上指标为在线仪器监测。试验水质指标的变化主要通过原料、浓缩液及蒸发出水这三部分的水质情况来表达。具体的检测因子包括：COD、氨氮、PO3-4 等，水样的水质监测均采用国标方法测定，其中：COD的测定采用密闭消解分光光度法、氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法、PO3-4 的测定采用钼酸铵分光光度法，测定所用主要仪器为DR890分光光度计、DRB200数字消解器。

数据的采集：自物料加热至75℃（以汽化分离罐温度计）为起点开始记录设备运行参数，间隔时间为30min；同时采集两个点（浓缩液采样点、出水口采样点）处的水样；浓缩至压缩机出现自动保护而不能继续浓缩为止（温度约为92-95摄氏度）；物料的加入量（M）及电消耗量（Q）均以开始加热为累计起点。

2.3 中试试验的基本情况

本次基于MVR技术的高浓度乳化废水处理试验分为三个批次进行，主要考察了其浓缩比、浓缩出水水质（COD、氨氮、PO3-4 等指标）、能耗。自物料加热至接近75℃时开始记录设备运行参数，间隔时间为30min；同时采集两个点（浓缩液出口、排水口）处的水样。

其中：1#水样为一厂发动机车间污水站乳化液废水，试验时间5月8日19：30至5月9日21：30，试验时间共计28h；2#水样为MQ200污水站乳化液废水（含其清洗废水）处理后的浓液，试验时间5月11日15：00至5月13日17：00，试验时间共计50h；3#水样为一厂发动机车间污水站乳化液废水和MQ200污水站乳化液废水处理浓液按照1：1的混合水样，试验时间5月15日18：00至5月17日10：00，试验时间共计40h。

现象描述：1#水样在蒸发浓缩过程中，油水分离明显，停机时，浓缩液几乎全为黑色油状液体，如图2所示。2#水样在蒸发浓缩过程中，油水分离不明显，停机时取样，静置0.5h后分层，如图所示。3#水样在蒸发浓缩过程中，油水分离明显，停机后取样分别静置10min、24h后，出现明显分层，如图3、4所示。

3 试验结果及分析

3.1 水质对比分析

从COD变化来分析：以MVR运行时间为X轴、以COD值为Y轴建立水样的浓缩液及蒸发出水的COD变化图。由图6可看出COD的去除率在5h就可以维持在99.5%以上，而浓缩液快速攀升至900 000 mg/L有短暂的停留，后在18h左右再升至1 400 000 mg/L，并维持不变，相应的出水也能较好地稳定在2 000～4 000 mg/L之间。由图7可看出COD值大部分时间维持在40 000～100 000mg/L之间，且COD的升高速度较慢，但是去除率仍然可以维持在99%以上，且出水中的COD含量相对较低（约500mg/L），这主要原因在该处使用的原料来自于混凝-超滤系统的浓液储存罐，其中大量的可测定COD已被去除。在图8中浓缩液和出水的COD变化较大，看似无规律可循，这主要是因为1#样和2#水样按照1：1混合之后出现分层，实验人员的间歇人工搅拌导致进水水质不均，故检测结果变化较大，但去除率也维持在99%以上，且出水COD含量均<800mg/L。

从N、P变化来分析：以MVR运行时间为X轴，以出水的氨氮（NH3-N）、磷酸盐（以P计）浓度为Y轴监测蒸发出水的N、P变化。由图9、10、11可以看出：随着MVR运行时间的推移，1#水样的蒸发出水氨氮值稳定在3 mg/L以下、磷酸盐值稳定在2.0 mg/L以下，2#水样的蒸发出水氨氮值稳定在0.3 mg/L以下、磷酸盐值稳定在1.5 mg/L以下，3#水样的蒸发出水氨氮值稳定在0.53 mg/L以下、磷酸盐值稳定在1.5 mg/L以下，最终出水排水进入城市污水处理厂，相应执行综合污水排放标准（GB18918-2002）中的三级标准即可。

考虑到汽车发动机加工工艺的中水回用问题，此处参照《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T19923-2005）相应指标可知：基于MVR技术的蒸发出水可以用作直流冷却水、洗涤用水；若用作乳化液配置的溶剂，则可能存在总磷超标而影响加工质量。

综合图6～11可以得出：单从水质的变化来看，1#、2#、3#水样随着浓缩时间的推移，浓缩液的COD浓度提升明显，而蒸发出水的COD浓度显得相对较为稳定，且设备运行5h以后3个水样的COD去除率均在99%以上。从三批水样的运行稳定性来看：乳化液废水（浓度在8～10%）单独收集处理的效果相对较好，且COD去除率可维持在99.6%以上，但是因为单独收集的乳化液废水COD浓度130 000 mg/L，故蒸发出水浓度（COD值 2 000±500 mg/L）相对较高，需要进行后续处理。结合N、P的检测结果，无论使用好氧处理（按营养需求BOD5：N：P=（100～150）：5：1计）还是厌氧处理（按营养需求BOD5：N：P=350：5：1计）都需要额外添加营养物质。

3.2 耗能、压缩比的对比分析

单位能耗Q是指处理单位质量的废水所消耗的能量，本文以处理1 t废水所消耗的电能（单位kWh）来计算。对比图12、13、14可以发现：（1）1#、2#、3#水样分别在30 h、7 h、10 h之后开始转入稳定的耗能阶段，前期的耗能普遍较大且能耗的上升速率较快，主要原因在于该阶段需要将物料加热升温至80℃左右、另还需将自来水加热产生的大量初始蒸汽，为此消耗了大量的能量；（2）1#水样的耗能在物料1 h达到高点，对应温度为78.5℃，随着温度的进一步升高，二次蒸汽的产生量逐渐增大、能量的回收利用率越来越高，随着时间后延至20 h左右设备运行参数趋于稳定，能耗值主要就是机械压缩装置的电耗，并维持在150 kWh/t（废水）；2#变化趋势较为平缓，与1#水样有些类似，但是单位能耗的变化不是太大，且后来处在约 200 kWh/t（废水）；3#水样在MVR运行时间为 30 h-44 h时，进料量和能耗均发生了突变，这可能是由于原料的分层导致的结果，后续能耗仍在呈现下降趋势并逐步接近200 kWh/t（废水）。

压缩比ε是指进、出蒸汽压缩机的蒸汽压强Pi、P0的比值，或指蒸发器蒸汽压强与压缩机出口压强的比值，以ε表示，ε=P0/Pi[2]。温升△T表征的是二次蒸汽在压缩机的机械作用下产生的内能升高情况，本文通过温度差异来体现，将进口温度（即自汽化分离室产生的二次蒸汽温度）记作T1，出口温度（即蒸汽压缩后的温度）记作T2，则△T= T2- T1。由图12、13、14可以看出压缩比与温升保持了较好地一致性，从设备的实际运行参数验证了整个运行过程的稳定性和获取数据的可信性。

综合设备运行的监控数据，我们可以发现不同的水质就能耗而言，单独收集乳化液进行处理的成本不到后两种处理方式的75%，且进料的频率较为稳定，笔者认为1#水样单独处理的设备运行优势主要体现在：（1）进料泵可以更加稳定地进料，特别是在10 h进料始终维持在0.1 t/h左右；（2）能耗的稳定意味着机械压缩机可以持续稳定的按照某一个频率运行，可以有效减少对管道、设备等的冲击，从而大大降低维护、维修的成本。

综合上述试验中的水质变化和设备运行参数情况，我们可以得出MVR技术对1#水样的处理效果和设备运行效果更具有优势。

4 结论

本文通过对三批试验水样的水质及平均耗能等试验结果的对比可以看出：（1） MVR技术是实现乳化液油水分离的有效途径，COD的去除率高达99%以上。（2）废水处理的耗能与乳化废液含水率息息相关，即乳化废液所占比重越大，耗能越小；反之，废水含水率越高，综合耗能越大。本次试验的1#水样（乳化液的含水率为90%-92%）的电耗为150 kWh/t，相比较传统的混凝-气浮、混凝-沉淀、混凝-超滤等方法具有明显的优势。（3）乳化废液浓度越高，成分越单一越有利于进一步浓缩且分层越少，原料的均一稳定更加有利于设备运行的稳定，能有效降低运行的维护成本。（4）1#水样的蒸发出水澄清度高，可适当考虑内部系统的回用；但是其COD含量相对较高，在外排前必须外加N、P等营养物质再进行生物处理；1#水样的浓缩液均一稳定，可作为废油进行回收利用，具体的用途还有待做进一步的研究。

综上所述，MVR处理技术处理汽车行业的高浓度乳化液废水行之有效，且建议采用“分类收集、单独处理”为宜。

[参考文献]

[1]张金彪.絮凝-氧化锆膜微滤处理轧钢乳化液废水[M].天津：天津大学硕士学位论文.2007：6.

[2]陈 伟，张 红.化工工艺设计手册[M].化学工业出版社，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