CN111115979B - 一种高浓度废液的蒸发浓缩处理装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高浓度废液的蒸发浓缩处理装置及其方法，采用反应塔对高浓度废液进行蒸发浓缩，外置换热系统对高浓度废液以及循环废液进行加热，低温空气与高温废液在塔内直接接触，将空气作为载体，利用水分子在空气中的饱和蒸汽压的差异作为传质动力进行废液的蒸发浓缩；经蒸发浓缩后的浓浆从塔底排出后另行处置；从塔顶出来的高温饱和空气通过外置换热装置进行冷凝脱水，得到的废气和冷凝水同时进入曝气生物滤池进行生化处理，处理后尾气重新进入蒸发浓缩系统进行循环利用，冷凝水处理达标后进行排放。塔内独特的气流携带水分机理，无沸腾现象，避免了其他液相组分的迁移，提高设备耐腐蚀能力的同时降低投资成本，延长了设备的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于高浓度废液节能减量化处理的技术领域，具体涉及一种高浓度废液的蒸发浓缩处理装置及其方法。
背景技术
在我国的工业生产中会产生大量工业废液，其特点为高含盐（酸碱）高浓度有机物、高腐蚀性以及毒性，其处理难度大，通常无法采用传统的生化法和膜分离的方法进行处理。
常见的工业废液包括高盐高有机物浓度废液、高盐废液以及高有机物浓度废液，这些工业废液需要进行减量化处理后方可最终处置或循环再生利用。高盐高有机物浓度废液的常用处理方法有电化学法、DTRO法、高级氧化法、蒸发/焚烧法等，高盐废液的常用处理方法有膜分离法、蒸发法等，高有机物浓度废液有生化处理法、高级氧化法等。而电化学法所需药剂量大且电极极易被腐蚀，成本高、效果差；高级氧化法产生危废量大且药剂成本高；膜分离法易产生膜污染且膜浓缩液无法直接进行处置；生化处理法处理效果不稳定且会产生危废污泥等。因此该类废液多采用改造工业上常用的蒸发釜和单双效蒸发器来进行简单蒸发处理或采用三效蒸发或MVR技术进行蒸发处理。
针对传统的高浓度废水/废液的浓缩减量化技术，以下几个问题难以得到有效解决：
1)现有的的蒸发浓缩技术蒸汽消耗量大，需不断利用蒸汽将废液加热到运行压力条件下的沸点，使水分以水蒸汽形式离开系统，达到蒸发浓缩的目的；2）传统蒸发浓缩装置投资成本高，需要利用大量钛合金或石墨等高昂的材质，以减少废液浓缩后有机物、盐类等不断积累而造成的传热效率低、设备腐蚀结垢、产量下降、运行波动等问题；3）传统的蒸发浓缩技术产生的冷凝水有机质及氨氮含量偏高，需要进一步处理，且处理过程产生大量次生的固体废弃物。
现有的蒸发浓缩技术虽在日益改进优化，且在能耗、成本、操作等方面有了一定程度的提升，但仍有许多缺点和难点尚未攻克，因此需要探索设计出一种经济性高、系统简单、节能环保的蒸发浓缩处理技术以实现高浓度废水节能减量化的目标。
发明内容
本发明的目的是针对现有蒸发浓缩技术中存在的上述问题，提出一种高浓度废液的蒸发浓缩处理装置，采用空气作为载体，实现高浓度废液（废水）的蒸发浓缩。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高浓度废液的蒸发浓缩处理装置，包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、反应塔以及曝气生物滤池；
其中，所述第一换热器的冷侧、第二换热器的冷侧与反应塔依次连接，待处理废液经第一换热器、第二换热器依次加热后导入反应塔内进行浓缩处理，得到的浓缩液体从反应塔底部浓浆出液口排出，进行后续处理；
所述反应塔的底部侧面设有空气进气口，向反应塔内导入空气；反应塔顶部的高温饱和空气出气口与第三换热器的热侧连接，作为第三换热器热侧的换热介质；第三换热器的冷侧与第一换热器的热侧连接，第三换热器的冷侧介质经换热升温后，作为第一换热器的热侧换热介质；
所述第三换热器设有冷凝水出液口和尾气出气口，从反应塔顶部出来的高温饱和空气，经第三换热器换热后，冷凝得到脱湿尾气和冷凝水；所述冷凝水出液口和尾气出气口同时连接至曝气生物滤池内；
所述曝气生物滤池顶部设有回用尾气出气口和尾气排放口，底部设有滤池排放口；回用尾气经顶部回用尾气出气口连接至反应塔的底部侧面的空气进气口，与外部引入的空气混合后一同导入反应塔内，回用尾气风管设有风机；剩余尾气和冷凝水处理达标后分别经顶部尾气排放口和滤池排放口进行排放。
进一步地，所述反应塔的底部侧面设有浓缩废液出液口，其与第一换热器的冷侧进料口连接，通过循环泵将上层排出的浓缩废液与待处理废液混合，重新经第一换热器、第二换热器依次加热后导入反应塔内进行浓缩处理。
进一步地，所述的第一换热器的热侧出料口与第三换热器的冷侧进料口之间连接有一冷却塔，将第一换热器的热侧换热介质进行降温，再作为第三换热器的冷侧换热介质，提升冷凝效果。
具体地，所述的第三换热器的尾气出气口与曝气生物滤池之间连接有缓冲罐和真空泵，通过真空泵提供负压。
进一步地，所述反应塔内部塔顶处设有喷淋装置，导入反应塔的待处理废液通过喷淋装置自上而下进行喷淋，以增大传质的面积。
具体地，所述空气进气口处连接外部的风管，风管上设有风机和气体流量计。
进一步地，所述反应塔底部的浓浆出液口连接外部的浓浆储罐，集中收集浓缩处理得到的浓浆，方便进行后续处理。
本发明还提供利用上述高浓度废液的蒸发浓缩处理装置来蒸发浓缩处理高浓度废液的方法，包括如下步骤：
（1）将常温待处理废液经第一换热器加热至45-55 ℃，再经第二换热器加热至75℃；
（2）将步骤（1）加热至75 ℃的待处理废液送至反应塔顶部，自上而下进行喷淋，同时反应塔底部导入空气，自下而上流动，使得空气与高温废液接触，通过空气作为载体带走废液中的水分，反应塔内温度保持在50-75 ℃；
（3）反应塔内浓缩后的废液上层部分经循环泵送至步骤（1）中，与待处理废液混合，重新处理；吸收水分后的高温饱和空气从反应塔顶部流出，作为第三换热器的热侧热源，与第一换热器热侧出来的循环水进行换热，将冷却的循环水加热，同时高温饱和空气冷凝得到脱湿尾气和冷凝水；
（4）将步骤（3）得到的脱湿尾气和冷凝水同时送入曝气生物滤池内进行生化处理；处理后的回用尾气送至步骤（2）中与空气混合，一同导入反应塔内，剩余尾气和冷凝水经处理达标后进行排放。
其中，步骤（1）中，所述第二换热器的热侧采用高温蒸汽作为换热介质，换热后高温蒸汽冷凝为高温热水，排出后回流重新制取高温蒸汽。
本发明采用空气作为载体，根据不同温度下，水分子在空气中的饱和蒸汽压的差异作为传质动力进行蒸发浓缩，从而实现高浓度废液的蒸发浓缩。由于空气与高浓度废液在塔内直接接触蒸发，独特的外置换热系统使加热界面与相变界面分离，使换热器不易腐蚀结垢，延长了连续操作时间。塔内蒸发温度控制在50-75 ℃，低温蒸发使反应塔可选用非金属材质，提高设备耐腐蚀能力的同时降低投资成本，延长使用寿命。且塔内独特的气流携带水分机理，无沸腾现象，避免了其他液相组分的迁移，避免造成设备腐蚀。充分利用厂内废热、余热或低品位热源与高浓度废液进行换热，以加热高浓度废液，可进一步降低系统热能消耗。经塔内蒸发浓缩后的高温饱和空气通过简单的板式换热器进行冷凝脱湿，废液的换热器系统与高温饱和空气的换热器系统相互连接，形成独特的热能回收单元，提高热能在系统内的循环利用效率，节省蒸汽能耗。尾气端出口管路设真空系统，系统呈负压状态，使水分更易蒸发，蒸发相同量的水分所消耗的空气及能量更少，节省能耗。产生的尾气及冷凝水共同进入曝气生物滤池进行生化处理，处理后部分尾气回用，剩余尾气和冷凝水处理达标后进行排放，减少废气产生的同时避免了高温蒸发导致的冷凝水有机质含量、氨氮偏高的问题。
有益效果
本发明采用反应塔对高浓度废液进行蒸发浓缩，外置换热系统对高浓度废液以及循环废液进行加热，低温空气与高温废液在塔内直接接触，将空气作为载体，利用水分子在空气中的饱和蒸汽压的差异作为传质动力进行废液的蒸发浓缩；经蒸发浓缩后的浓浆从塔底排出后另行处置；从塔顶出来的高温饱和空气通过外置换热装置进行冷凝脱水，得到的废气和冷凝水同时进入曝气生物滤池进行生化处理，处理后尾气重新进入蒸发浓缩系统进行循环利用，冷凝水处理达标后进行排放。
本发明的优势在于空气与高浓度废液在塔内直接接触蒸发，独特的废液外置换热系统使加热界面与相变界面分离，使换热器不易腐蚀结垢，延长了连续操作时间，提高了蒸发浓缩的效率；反应塔内蒸发温度控制在50-75℃，低温蒸发使反应塔可选用非金属材质，提高设备耐腐蚀能力的同时降低投资成本，延长了设备的使用寿命。采用空气作为载体，塔内独特的气流携带水分机理，无沸腾现象，避免了其他液相组分的迁移，避免造成设备腐蚀。经塔内蒸发浓缩后的高温饱和空气通过简单的板式换热器进行冷凝脱湿，废液的换热器系统与高温饱和空气的换热器系统相互连接，形成独特的热能回收单元，提高热能在系统内的循环利用效率，节省蒸汽能耗。尾气端出口管路设真空系统，系统呈负压状态，使水分更易蒸发，节省能耗。产生的尾气及冷凝水共同进入曝气生物滤池进行生化处理，减少废气产生的同时避免了高温蒸发导致的冷凝水有机质含量、氨氮偏高的问题，处理后尾气可回用，冷凝水达标排放。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明蒸发浓缩处理装置的结构示意图。
其中，各附图标记分别代表：1风机；2气体流量计；3反应塔；4喷淋装置；5循环泵；6第一换热器；7第二换热器；8浓浆储罐；9第三换热器；10冷却塔；11缓冲罐；12真空泵；13曝气生物滤池；14风管；15水管；16空气进气口；17高温饱和空气出气口；18浓缩废液出液口；19高温废液进液口；20浓浆出液口；21第一换热器冷侧出料口；22第三换热器冷侧出料口；23第一换热器热侧出料口；24冷却塔出料口；25冷凝水出液口；26尾气出气口；27回用尾气出气口；28滤池排放口；29第一换热器冷侧进料口；30第二换热器热侧进料口；31第二换热器热侧出料口；32尾气排放口。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，该蒸发浓缩处理装置主要包括第一换热器6、第二换热器7、第三换热器9、反应塔3以及曝气生物滤池13。
其中，第一换热器冷侧进料口29用于导入待处理废液，第一换热器冷侧出料口21连接第二换热器冷侧进料口，第二换热器冷侧出料口通过水管15连接至反应塔3内喷淋装置4的高温废液进液口19处，将经第一换热器6、第二换热器7依次加热后的待处理废液自上而下在塔内进行喷淋。
反应塔3的底部侧面设有空气进气口16连接外部的风管，风管上设有风机1和气体流量计2，用于控制向塔内导入的风量和风速；反应塔3顶部的高温饱和空气出气口17与第三换热器9的热侧连接，将塔内吸收水分后的高温饱和空气从反应塔顶部流出，作为第三换热器9的热侧换热介质，与第一换热器6热侧出来的循环水进行换热，将冷却的循环水加热，同时高温饱和空气冷凝得到脱湿尾气和冷凝水；第三换热器冷侧出料口22与第一换热器6的热侧进料口连接，第一换热器热侧出料口23连接至冷却塔10，冷却塔出料口24连接至第三换热器9的冷侧进料口。第三换热器9设有冷凝水出液口25和尾气出气口26，冷凝水出液口25直接至曝气生物滤池13内，尾气出气口26与曝气生物滤池13之间连接有缓冲罐11和真空泵12，通过真空泵12提供负压。
反应塔3的底部侧面设有浓缩废液出液口18，其与第一换热器冷侧进料口29连接，通过循环泵5将上层排出的浓缩废液与待处理废液混合，重新经第一换热器6、第二换热器7依次加热后导入反应塔3内进行浓缩处理。反应塔3底层的浓缩液体从底部浓浆出液口20排出，进入外部的浓浆储罐8，集中收集浓缩处理得到的浓浆，方便进行后续处理。
第二换热器热侧进料口30通入高温蒸汽作为换热介质，换热后高温蒸汽冷凝为高温热水，通过第二换热器热侧出料口31排出后回流重新制取高温蒸汽。
曝气生物滤池13顶部设有回用尾气出气口27和尾气排放口32，底部设有滤池排放口28；顶部回用尾气出气口27通过风管14连接至反应塔3底部空气进气口16的风管上，通过风机1处理后的尾气与外部引入的空气混合后一同导入反应塔3内，作为水分子载体。剩余尾气和冷凝水经处理达标后分别通过尾气排放口32和滤池排放口28排放。
实施例1
通过本发明方法对某芯片加工企业的含酸、高含盐高有机物废液进行蒸发浓缩处理，通过工程实况以及进出水水质检测分析，并辅以一定的工程预估来评价本发明的效益。
工程实况步骤如下：
（1）将20-30 ℃常温待处理废液经第一换热器加热至45-55 ℃，再经第二换热器加热至75 ℃；
（2）将步骤（1）加热至75 ℃的待处理废液送至反应塔顶部，自上而下进行喷淋，同时反应塔底部导入空气，自下而上流动，使得空气与高温废液接触，通过空气作为载体带走废液中的水分，反应塔内温度保持在50-75 ℃；
（3）反应塔内浓缩后的50-60 ℃废液上层部分经循环泵送至步骤（1）中，与废液混合成40 ℃的中温废液，重新处理；吸收水分后的高温饱和空气从反应塔顶部流出，作为第三换热器的热侧热源，与第一换热器热侧出来的循环水进行换热，将冷却的循环水加热，同时高温饱和空气冷凝得到脱湿尾气和冷凝水；
（4）将步骤（3）得到的脱湿尾气和冷凝水同时送入曝气生物滤池内进行生化处理；处理后的回用尾气送至步骤（2）中与空气混合，一同导入反应塔内，剩余尾气和冷凝水经处理达标后进行排放。
通过检测进水和出水的CODcr、TDS、氨氮和钙镁离子浓度，计算了废液的浓缩倍数，结果如表1所示。其中CODcr浓度根据GB11914-89采用重铬酸钾法进行测定。TDS浓度采用TDS测定仪进行测定。氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法进行测定。钙镁离子浓度采用钙镁离子测定仪进行测定。浓缩倍数为原废液体积与浓缩液体积的比值。
从检测数据可见，蒸发浓缩后的冷凝水出水CODcr浓度为30 mg/L，去除率达98.33%，TDS浓度为100 mg/L，去除率达99.90%，氨氮浓度为1 mg/L，去除率达95%，对废液的处理效果好。
实施例2
通过本发明方法对某机械加工企业的含酸、切削液、乳化液及脱模剂的混合废液进行蒸发浓缩处理，通过工程实况以及进出水水质检测分析，并辅以一定的工程预估来评价本发明的效益。
工程实况步骤如下：
（1）将20-30 ℃常温待处理废液经第一换热器加热至45-55 ℃，再经第二换热器加热至75 ℃；
（2）将步骤（1）加热至75 ℃的待处理废液送至反应塔顶部，自上而下进行喷淋，同时反应塔底部导入空气，自下而上流动，使得空气与高温废液接触，通过空气作为载体带走废液中的水分，反应塔内温度保持在50-75 ℃；
（3）反应塔内浓缩后的50-60 ℃废液上层部分经循环泵送至步骤（1）中，与废液混合成40 ℃的中温废液，重新处理；吸收水分后的高温饱和空气从反应塔顶部流出，作为第三换热器的热侧热源，与第一换热器热侧出来的循环水进行换热，将冷却的循环水加热，同时高温饱和空气冷凝得到脱湿尾气和冷凝水；
（4）将步骤（3）得到的脱湿尾气和冷凝水同时送入曝气生物滤池内进行生化处理；处理后的回用尾气送至步骤（2）中与空气混合，一同导入反应塔内，剩余尾气和冷凝水经处理达标后进行排放。
通过检测进水和出水的CODcr、TDS、氨氮、钙镁离子浓度和电导率，并计算废液的浓缩倍数，结果如表2所示。其中CODcr浓度根据GB11914-89采用重铬酸钾法进行测定。氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法进行测定。钙镁离子浓度采用钙镁离子测定仪进行测定。电导率采用电导率检测仪进行测定。浓缩倍数为原废液体积与浓缩液体积的比值。
从检测数据可见，蒸发浓缩后的冷凝水出水CODcr浓度为50 mg/L，去除率达99.98%，电导率为500 us/cm，减小了96%，氨氮去除率91.4%，对废液的处理效果好。
本发明提供了一种高浓度废液的蒸发浓缩处理装置及其方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种高浓度废液的蒸发浓缩处理装置，其特征在于，包括第一换热器（6）、第二换热器（7）、第三换热器（9）、反应塔（3）以及曝气生物滤池（13）；
其中，所述第一换热器（6）的冷侧、第二换热器（7）的冷侧与反应塔（3）依次连接，待处理废液经第一换热器（6）、第二换热器（7）依次加热后导入反应塔（3）内进行浓缩处理，得到的浓缩液体从反应塔（3）底部浓浆出液口（20）排出，进行后续处理；
所述反应塔（3）的底部侧面设有空气进气口（16），向反应塔（3）内导入空气；反应塔（3）顶部的高温饱和空气出气口（17）与第三换热器（9）的热侧连接；第三换热器（9）的冷侧与第一换热器（6）的热侧连接；
所述第三换热器（9）设有冷凝水出液口（25）和尾气出气口（26）；所述冷凝水出液口（25）和尾气出气口（26）同时连接至曝气生物滤池（13）内；
所述曝气生物滤池（13）顶部设有回用尾气出气口（27）和尾气排放口（32），底部设有滤池排放口（28）；回用尾气经顶部回用尾气出气口（27）连接至反应塔（3）的底部侧面的空气进气口（16），与外部引入的空气混合后一同导入反应塔（3）内；剩余尾气和冷凝水处理达标后分别经顶部尾气排放口（32）和滤池排放口（28）进行排放；
所述反应塔（3）的底部侧面设有浓缩废液出液口（18），其与第一换热器（6）的冷侧进料口连接，通过循环泵（5）将排出的浓缩废液与待处理废液混合，重新经第一换热器（6）、第二换热器（7）依次加热后导入反应塔（3）内进行浓缩处理；
所述的第一换热器（6）的热侧出料口（23）与第三换热器（9）的冷侧进料口之间连接有一冷却塔（10）。
2.根据权利要求1所述的高浓度废液的蒸发浓缩处理装置，其特征在于，所述的第三换热器（9）的尾气出气口（26）与曝气生物滤池（13）之间连接有缓冲罐（11）和真空泵（12）。
3.根据权利要求1所述的高浓度废液的蒸发浓缩处理装置，其特征在于，所述反应塔（3）内部塔顶处设有喷淋装置（4），导入反应塔（3）的待处理废液通过喷淋装置（4）自上而下进行喷淋。
4.根据权利要求1所述的高浓度废液的蒸发浓缩处理装置，其特征在于，所述空气进气口（16）处连接外部的风管，风管上设有风机（1）和气体流量计（2）。
5.根据权利要求1所述的高浓度废液的蒸发浓缩处理装置，其特征在于，所述反应塔（3）底部的浓浆出液口（20）连接外部的浓浆储罐（8）。
6.利用权利要求1所述的高浓度废液的蒸发浓缩处理装置来蒸发浓缩处理高浓度废液的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将常温待处理废液经第一换热器（6）加热至45-55 ℃，再经第二换热器（7）加热至75 ℃；
（2）将步骤（1）加热至75 ℃的待处理废液送至反应塔（3）顶部，自上而下进行喷淋，同时反应塔（3）底部导入空气，自下而上流动，使得空气与高温废液接触，通过空气作为载体带走废液中的水分，反应塔（3）内温度保持在50-75 ℃；
（3）反应塔（3）内浓缩后的废液上层部分经循环泵送至步骤（1）中，与待处理废液混合，重新处理；吸收水分后的高温饱和空气从反应塔顶部流出，作为第三换热器（9）的热侧热源，与第一换热器（6）热侧出来的循环水进行换热，将冷却的循环水加热，同时高温饱和空气冷凝得到脱湿尾气和冷凝水；
（4）将步骤（3）得到的脱湿尾气和冷凝水同时送入曝气生物滤池（13）内进行生化处理；处理后的回用尾气送至步骤（2）中与空气混合，一同导入反应塔（3）内，剩余尾气和冷凝水经处理达标后进行排放。
7.根据权利要求6所述的蒸发浓缩处理高浓度废液的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述第二换热器（7）的热侧采用高温蒸汽作为换热介质，换热后高温蒸汽冷凝为高温热水，排出后回流重新制取高温蒸汽。
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