亚沙环境电絮凝+蒸发结晶对RTO碱洗废水污染物去除效果研究

电絮凝+蒸发结晶技术对RTO碱洗废水

污染物去除效果研究

亚沙环境科技有限公司业务范围

危险废液浓缩减量；

乳化液、电镀液、半导体废水零排放；

前言

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项目背景

1.1 项目情况

该项目企业为德资企业，主要生产产品为轿车手动档离合器摩擦材料、自动档干式双离合器摩擦材料、卡车离合器摩擦材料和摩擦材料的部分原料。在生产过程的挤进工艺中，需要用到酚醛、丙酮、乙醇等有机溶剂。在生产工艺及烘干工艺中，产生的挥发性有机气体，经收集后进入RTO装置燃烧。酚醛、丙酮、乙醇等有机挥发性气体在经RTO焚烧后，产生酸性气体并伴有异味。为保证排放达标，此部分废气统一进入碱洗塔洗涤后排入大气环境。

蓄热式热力焚化炉（Regenerative Thermal Oxidizer，简称为RTO）被认为是VOCs较为有效的处理方法。第三代旋转式RTO炉体自上而下又分为了 5个室（见附图），分别为：燃烧室、换热室、导流室、出入室、 吹扫室。废气首先进入加热区， 然后依次经过导流室，换热室、燃烧室、在燃烧室高温燃烧后，再经过冷却区，进入冷却区时分别又依次经过换热室、导流室、出入室然后进入洗涤塔。

废气进入加热区时， 由于氧化分解后产生的热量存储在陶瓷砖内，此时废气自下向上经过加热区时温度会急剧上升，直到废气进入燃烧室燃烧后，气体自上而下又经过冷却区，把温度又存储在了陶瓷蓄热砖里为下一次循环废气进入存储热能。旋转式 RTO在炉膛内设置多个等份的陶瓷填料床，通过旋转换向阀的转动把有机废气导向各个蓄热床进行预热和氧化分解。一般情况下旋转阀工作为1.5 /min，蓄热蓄热室 “蓄热-放热 ”工况交换频率为每小时90 次 ，也就是每次蓄热时间为 40 s 左右，进出口温差为20℃，旋转式RTO VOCs 的最高分解效率可达99.5%[1]。

本项目VOC气体收集、燃烧、碱洗流程及RTO装置情况如图1所示：

图1：旋转式RTO装置原理图

1.2 废水情况

酚醛、丙酮、乙醇等有机挥发性气体在经RTO焚烧后，产生酸性气体并伴有异味。为保证排放达标，此部分废气统一进入碱洗塔洗涤后排入大气环境。碱洗塔洗涤废水在塔内循环使用，随着循环次数的不断增加，污染物不断富集，废水中所含的盐度及其他污染物不断富集，此部分废水由于成分复杂，含有COD、氨氮、氯化物等多种污染物，经多次采样，测得水样综合成分如表1所示。

根据表1所示，RTO后碱洗喷淋塔废水，不断吸收酸性气体，多次循环后PH值为3-5的酸性废水，同时污染物包含了COD、氨氮、SS等多种污染物，氨氮、硫酸盐、总溶解性固体含量均达到较高的水平，含盐量最大值为6%，属于高盐废水的范围。

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试验思路

污水处理方法按其作用可分为化学法、物理法、生物法和电化学法等。随着废水处理技术的发展，依靠单一的废水处理工艺，往往难以保证达标排放，需要采用多种不同工艺组合的方式。在废水零排放领域，蒸发结晶技术由于其污染物去除率高，废水适应性广等特点，在表面处理、金属加工、机械制造等领域，得到越来越广泛的使用。

电化学水处理技术，由于是在外加电场的条件下，通过一系列的物理反应、化学反应以及电化学反应对污水中污染物在特定的电化学反应器内进行降解，目前在各种难降解废水处理中的应用比较广泛。该法可以将因污染而升高的 COD 指标降下来，同时还能提高污水的生物降解性能。目前常用的电化学方法有：电絮凝法、电芬顿法、电催化氧化法、电吸附法、电沉积法、电浮选法、电渗析法、微电解法、磁电解法和三维电解法。当电絮凝法与化学沉淀絮凝法结合时，可以非常有效地降低废水浓度，去除较大杂质及悬浮颗粒，为后续的工艺处理降低难度[2]。

本次试验研究采取了以电絮凝法作为预处理，然后通过废水蒸发的方式，对各类污染物的去除效果进行了试验研究。

2.1 电絮凝法

电絮凝技术在诸多污水处理特别是工业污水领域得到了广泛应用。电絮凝水处理技术通常采用廉价的铁、铝、不锈钢等金属作为电极阳极，在电解过程中可溶性金属阳极逐渐溶解，其生成的金属阳离子经过一系列水解、聚合反应后生成各种羟基络合物、多核羟基络合物及金属氢氧化物，对污水中的胶体、悬浮物具有很强的絮凝吸附作用。铝为可溶性阳极时，电絮凝过程中所形成的单核羟基化合物主要有 Al(OH)2+，Al2(OH)4+，及 Al(OH)4-，单核羟基化合物主要有 Al6(OH)153+，Al8(OH)204+；铁为可溶性阳极时，电絮凝过程中所形成的羟基化合物主要有Fe(OH)4-，Fe(OH)2+，Fe(OH)2+，Fe(H2O)5(OH)2+，Fe(H2O)4(OH)2+，Fe(H2O)5(OH)2+，Fe2(H2O)6(OH)42+。这类电解形成的水解产物活性高且吸附性能好，具有较强的絮凝作用，可与污水中的有机污染物、悬浮物、胶体等结合生成较大絮体[3]。

电絮凝对工业污水中悬浮物、乳化油、胶体等具有较高的去除率，其装置设备简单、操作方便，技术适应能力强，对不同污染物组成的污水均具有较好的处理效果。电絮凝法处理工业污水，一般不需要添加化学药剂，因此能有效避免药剂造成二次污染，但其可溶性金属电极易发生钝化，电极的钝化会使电絮凝的处理效率降低、电耗升高。阳极的钝化主要是在阳极电解过程中，阳极表面的金属离子浓度不断升高，与溶液中的阴离子结合在电极表面生成金属氧化物或金属盐类，形成致密的钝化层覆盖于电极表面，很大程度上抑制了阳极反应。阴极的钝化主要由污水中的钙、镁离子生成的不溶性盐附着于阴极表面。电解过程中阳极或是阴极的钝化都会导致装置电耗增加、电流效率下降，因此，为保证装置平稳运行，在电絮凝装置运行过程中需要采取相应措施来减缓极板的钝化。电絮凝装置的反应原理如图2所示。

图2： 电絮凝装置反应原理图

2.2 蒸发结晶技术

高盐废水通常指总溶解性固体物(TDS)质量分数大于 3. 5%的废水。这类废水除普遍含有大量 Cl-、 SO2-4、 Na+等离子形态的无机盐类外, 还含有 Ca2+、 Mg2+、 NH4+、 HCO-3等易化学变化成垢的离子及化学需氧物(COD)、 悬浮物( SS) 等杂质。蒸发法通过加热沸腾，使稀溶液得到浓缩，处理废水的范围广，对于盐分的去除率几乎达到100%[4]。国内外对高含盐废水 “零排放” 处理一般采用蒸发塘自然蒸发、 多效蒸发结晶、 机械蒸汽再压缩蒸发工艺。

传统蒸发技术：

对于传统的蒸发技术，单效蒸发、多效蒸发的应用较为广泛，理论上讲，蒸汽消耗量与废水蒸发量是相等的，所以具有能耗大、运行成本高的显著缺点。

多效蒸发作为目前蒸发浓缩的主流工艺，已经在化工、食品、药品及海水淡化等领域得到广泛应用，但多效蒸发需外界不断提供大量的热源蒸汽，意味着需要消耗较多其他形式的能源来产生热源蒸汽；末效产生的二次蒸汽经冷却水冷凝后直接排放，其中的能量没有得到充分利用，而且对二次蒸汽进行冷凝会消耗大量的冷却水。从能量利用的角度分析，随着蒸发效数的增多，多效蒸发中新鲜蒸汽的耗量和系统运行费用均会有所减少，但效数增多带来的节能效果不会无限提高，且效数增多势必会带来更高的设备投资费用，所以多效蒸发是一个高能耗操作单元的事实仍然无法改变。

机械蒸汽再压缩技术：

MVR 技术是将系统蒸发产生的二次蒸汽通过蒸汽压缩机进行压缩，在提升其温度和压力后，作为热源蒸汽重新进入蒸发器中释放热量，往复循环。图3为 MVR 技术的原理示意图，物料在蒸发器中吸热蒸发产生二次蒸汽，二次蒸汽经压缩机处理后成为高温高压的热源蒸汽，重新回到蒸发器内，蒸汽冷凝水可以直接排放，或收集起来另作利用；蒸发产生的浓缩液浓度达到饱和溶解度时，溶质便以晶体的形式从溶液中析出，晶体和浓缩液的混合物被称为晶浆；晶浆从蒸发器中排出后进入结晶分离器，晶体和浓缩液在被分离以后，晶体暂时储存，浓缩液则回到系统中继续参与循环。该循环系统通过对废水进行严格彻底的处理，产物仅为无机盐和冷凝水，基本能够达到零排放，实现含盐废水的固液分离。

图3：MVR 技术原理示意图

MVR 技术能够回收利用二次蒸汽的潜热，避免了传统蒸发浓缩结晶系统对新鲜蒸汽和冷却水的大量需求，也就省去了后续的冷却系统，因此 MVR 系统具有结构紧凑、占地面积小等优点。为获取同等高温的热源蒸汽，以低温饱和蒸汽为原料消耗的能量，远小于以水为原料消耗的能量，例如将80℃的饱和蒸汽加热到100℃饱和状态消耗能量为 32.65 kJ/kg，而将 80℃的水加热到相同状态需要外部提供的能量为2340.6 kJ/kg。这说明相比于多效蒸发需要耗费大量的能量以获得新鲜蒸汽，MVR 技术仅消耗少量电能便可满足系统循环所需动力，同时最大程度回收利用二次蒸汽的热量[5]。

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试验过程

3.1 进水水质及试验参数

通过现场取样的方式获得碱洗塔废水，进行本次试验研究，分析讨论COD、氨氮、SS、硫酸盐、总溶解性固体等污染物的去除情况，各项水质指标情况如表2所示。

对于取样废水，采用如图所示的电絮凝反应试验装置，电极选用铝电极，试验电压22.7V，试验电流56.7A，反应时间40S。

3.2 电絮凝试验结果出来

反应完成后，分别在废水添加硫酸亚铁、硫酸铁、硅酸铝铁等絮凝剂，同时添加PAM聚丙烯酰胺絮凝剂作为对照，观察絮凝效果。絮凝沉淀60S后，观察絮凝情况，絮凝情况对比如图4所示。

图4：不同类型絮凝剂沉淀效果对比

经分析，对于RTO后碱洗喷淋废水废水，在添加硫酸亚铁、硫酸铁及硅酸铝铁等不同类型絮凝剂后，硅酸铝铁絮凝效果最为明显。对比同时添加硅酸铝铁及PAM两种絮凝剂，絮凝效果无明显差异。

经硅酸铝铁及PAM絮凝后的上清液，经抽滤分离后，取清液对其成分进行检测，检测结果及各类污染物变化情况如表3所示。

通过对比可见，污水中COD去除率约为30%，TP总去除率为99%，TDS去除率为12.23%。由于添加了PAM及H2SO4，污水中NH3-N以及硫酸盐具有明显的上升。

3.3 废水蒸发试验结果

经采用予华仪器旋转蒸发器对水样进行模拟蒸发后，获得蒸馏水，对其进行试验成分检测，检测结果及各类污染物去除情况如表4所示。

数据对比可见，在经废水蒸发后，各类污染物指标均出现明显下降，对于COD的去除率达到83%，对于氨氮、总磷、总溶解性固体及硫酸盐的去除率均在98%以上。

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结束语

参考文献

1].郭阳, 王伟与李明刚, VOCs治理新技术——旋转式RTO. 涂层与防护, 2019. 40(07): 第40-45页.

[2].秦中良与陈霖, 电化学技术处理工业污水的研究进展. 广东化工, 2021. 48(03): 第84-85页.

[3].杨颖等人, 电化学法处理难降解废水的研究现状与展望. 湖南城市学院学 (自然科学版), 2020. 29(06): 第73-78页.

[4].林清武, 高盐废水蒸发结晶工艺优化研究. 煤炭加工与综合利用, 2020(08): 第55-58页.

[5].张子尧, 机械蒸汽再压缩系统设计及多目标优化研究, 2020, 西安科技大学. 第 70页.

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