消灭工业废水的有效途径

孔庆颐

　　内容提要：清洁生产、工业废水零排放，实现美好的生态环境一直是人们追求目标，但在实际的工业生产中，是不容易做到的，尤其是高浓度废水，需稀释后进行过滤、中和、氧化及生物化学等多种处理方法，才能将废水处理成合格的二、三类水。传统废水处理方法，加大了企业的运行成本，使之不能保证各企业自觉进行工业废水的处理，本文介绍了采用蒸发、结晶的方法从废水中提取有用物质的工艺和设备，提出了真正消灭工业废水的途径。

　　关键词：蒸发、结晶、提取废水中有用物质、消灭工业废水。

　　一、转变思想观念，变废为宝。

　　废水也是资源。生物化工、无机盐化工、食品工业，肉类加工、造纸业、酒精等工业废水中含有的纤维素、糖、蛋白、氮基酸、无机盐等有用的资源，扔掉是害，取出是宝，治理废水要将废水中有用的资源提取出来，废水通过蒸发成为蒸汽冷凝水，是废水不废，实现清洁生产和真正意义上的美好环境。

　　无论是过去还是现在的企业是以获取最大的经济效益为目的。如果在废水治理上只有投入，没有产出，企业是不会有积极性的。自颁布国家国家环境保护法以来，某些企业宁愿罚款，也不认真的进行废水治理，因此废水外排现象时有发生，更有受到利益驱使，认为治废就是扔钱，治理越彻底，钱扔的就越多，所以无论是环保的管理者，还是企业的负责人，必须转变思想观念，废水就是资源。治理废水应是有投入，有产出，有社会效益，也有经济效益的一种产业，尤其是有着高浓度废水的企业，废水是宝，废水浓度越高，采用蒸发器浓缩，连续结晶的投入会越少（因为蒸发水量少）。对于有低浓度废水的企业，要改变原有产品生产工艺，使废水浓度提高，才能使废水治理投入减少。如谷氨酸产业，谷氨酸产品的废水量大，浓度低（含硫酸铵浓度3-4%），大部分企业为了竞争，为了获取大的利润，治理不彻底，经常偷偷排放，平时储存废水的地方，快成了一座水库，甚至占据一条河。废水中的硫酸铵、糖、蛋白、纤维素全是有用的物质。国外谷氨酸企业清洁生产没有废水，生产工艺与我国谷氨酸提取工艺大不相同，发酵后的谷氨酸溶液，经过膜过滤，截留糖、蛋白、纤维素成为饲料，再将9%浓度的谷氨酸铵溶液，蒸发浓缩至28%，采用四效降膜+热泵蒸发工艺，最高蒸发温度低于75℃，蒸发1吨水，仅消耗0.20吨蒸汽。再等电点连续结晶，谷氨酸一次结晶，便成为形结晶，粒度大于0.15mm,而含有硫酸铵（有些是氯化铵）的废水浓度达到13-14%，再蒸发结晶出硫酸铵肥料。这种生产工艺彻底解决了氨氮工业废水难以治理的难题，而产出部分足以抵消治理的费用，还有余额，这才是受企业欢迎的废水治理方案。

　　采用真空蒸发结晶的工艺治理工业废水。

　　1.真空蒸发工艺：即再真空状态下料液沸点降低的物理特性进行低温（100℃-40℃）蒸发浓缩，真空度越高，料液沸点就越低。（查水蒸气技术特性表）真空是如何形成的呢？是蒸汽瞬间突然被冷凝形成的，再辅以真空泵抽走不冷凝性气体，以保证真空的稳定，目前最经济的做法是用常温冷却水或低温冷却水冷凝蒸气。我们如何控制真空度的高低呢？控制冷却水的温度及水量就可以了。

　　真空蒸发可分为单效生产，也可以分为多效生产，效数越多能耗越低，但随之投资业越大。效数的确定是根据物料蒸发浓缩的量、投资与能耗的对比来确定的。物料蒸发的水量按每小时计，现在已可以做到单套每小时蒸发250吨-50公斤。一单套每小时蒸发水量数百公斤至数十吨比较常做，为了节约能耗，在首效的前面加一台蒸汽喷射压缩泵（简称热泵），则能耗更低，蒸发1吨水需锅炉的生蒸汽多少，为蒸汽消耗比。即常说的蒸发1吨水消耗多少蒸汽，这是衡量蒸发先进与否的一项重要参数，目前世界上的先进水平是：

单效+热泵 蒸汽消耗比 0.55～0.65
双效+热泵 蒸汽消耗比 0.38～0.42
三效+热泵 蒸汽消耗比 0.28～0.33
四效+热泵 蒸汽消耗比 0.20～0.22
五效+热泵 蒸汽消耗比 0.16～0.18

　　我国真空蒸发的能耗在某些行业已接近世界先进水平，但大多数行业水平还是较低，主要表现在不同的沸点进料、二次闪发和冷凝水热量的再利用，真空度不高，料液沸点温度还不够低，以及自动调节仪表的材质差等等。更主要的是理论水平和实际水平工作创新能力，还远远落后于发达国家。

　　2真空结晶工艺

　　真空结晶分为：真空蒸发连续结晶和真空闪发降温连续结晶，都是在真空状态下，结晶溶液沸点温度降低的物理特性，进行连续结晶的。

　　真空蒸发结晶工艺是在真空的状态下边蒸发边结晶，如谷氨酸钠就是采用这种工艺，按规模说年产2-4万吨的味精，一套真空蒸发结晶设备即可以。工业废水中提取无机盐，如氯化铵、硫酸铵、氯化钠、硫酸钠、碳酸氢钠等，也采用真空连续结晶。这种工艺可单效，也可以多效，根据蒸发数量决定，结晶温度要根据结晶物体的工艺特性和饱和溶解度曲线确定。实际应用中，结晶温度尽量低些，便于结晶设备选择较便宜的材料，降低投资造价，温度太低也不可取。因为未效二次蒸汽比容太大，设备做的大而增加投资。真空蒸发结晶工艺的特点是结晶粒度大，颗粒均匀，能耗低，操作费用低，技术含量高。

　　真空闪发结晶工艺是真空状态下，边闪发降温，边结晶。结晶温度可以做的很低，为提高收率，甚至在0℃前可做到。谷氨酸等电点连续结晶，就是闪发结晶工艺，他要求2-3℃结晶，闪发蒸汽几乎达到0℃。闪发过程就是降温过温。比如从30℃降至10℃，结晶溶液的比热×结晶溶液的重量除以10℃时该溶液的汽化潜热等于闪发蒸汽量/小时，也就是说闪发掉这么多蒸汽，结晶溶液才能从30℃降至10℃，而真空状态同样需要低温冷却水，甚至冷冻盐水去冷凝闪发蒸汽，也同样需要真空泵抽取不凝性气体，以保持真空的稳定。真空闪发结晶工艺应用也很广泛，谷氨酸、异维C纳，木糖醇、维生素C，无机盐中，七水硫酸镁、工业硝酸钾、五水硫酸铜等均采用。和间歇冷却结晶工艺相比，最大的优势是能耗低，结晶颗粒大小可控制，粒度园滑均匀，技术含量高，占地面积小，投资总费用不高。

　　真空多效蒸发+喷雾干燥工艺。

　　废水中有用物质如蛋白质，胶体等不适合用结晶的方法进行固液分离的物质，而且废水浓度又不高，采用真空多效蒸发+喷雾干燥工艺，即可把废水变成蒸汽冷凝水，又可以把废水中的有用物质，变成饲料的添加剂，如肉类联合加工厂中的血水，洗肉水过去都是作为废水扔掉了，即污染环境又损失了资源，国外已采用这种工艺将血蛋白全部回收，卖给饲料厂，很受欢迎，而肉联厂又取得了经济效益，一举两得。淀粉工业中的玉米、小麦、马铃薯等、洗涤水、浸泡水含有淀粉、蛋白、乳酸等。国内有很多淀粉厂都把它作为废水扔掉了，其中可以蒸发浓缩至50%，再喷雾干燥成蛋白饲料添加剂，而浸泡水变成了蒸汽冷凝水，完全可以做为工艺水再回收使用，而淀粉厂臭烘烘的环境一去不复返。

　　4、技术的成熟和可靠

　　上述技术均为物理过程，没有化学反应，技术上是成熟的、可靠的。国人在掌握控制这些技术时，还有新的发展和创新，但是完成一项工程设计，必须要进行物料和热量的衡算，这需要企业配合，提供该废水的基础理化参数如比热、结晶热、重度、粘度。（均为不同温度，不同浓度的条件下)如蒸发浓度，首先要提供初始量（KG/小时），初始浓度，初始温度，接着要提供，终止量（KG/小时），终止浓度，终止温度，如果需要真空结晶，还要提出结晶粒度要求，提供废水中其它物质含量，要准确。特殊的废水还要提供不同浓度下的蒸汽分压（沸点升高）因为一般盐类溶液的蒸汽分压，手册中可以查到。只有和企业密切的配合，才能完成一件完美的设计和精密的制造。

　　三、

　　1、真空蒸发的设备

（1）降膜蒸发器，降膜蒸发器用途十分广泛，能耗低（蒸汽、电）热接触时间短，初始物料从进蒸发器至出蒸发器，往往才几十秒钟，即使四效，也不超过二分钟，尤其适应热敏性物质。热传导温差小也可以生产，所以蒸发温度可以设计很低。如前面所述的谷氨酸浓缩，就是选用的降膜蒸发器，四效+热泵。首效温度仅有74℃～75℃。降膜蒸发器分直流式和循环式，直流式从节能和二次蒸发再利用上均好于循环式，尤其适合热敏性强的溶液蒸发浓缩。

（2）外加热式强制循环蒸发器，他由加热室和蒸发室组成，靠循环管、循环泵连接成一个整体，它适合于有结晶颗粒或粉粒的溶液蒸发浓缩。结构简单，容易操作，唯一不足的是循环泵、电耗相对较高。目前，国内普遍使用的循环泵是单悬臂，双端面机械密封的轴流泵，流量大，杨程小，转速低，机械密封处有冷却水和密封水，只要保持水的清洁和供应，机械密封一般不会损坏，该蒸发器经三十余年的运行改进，国内已掌握了不堵管，不结垢等技术要点，已能够设计出和国外相同的，传热系数高的蒸发器。

　　2、真空蒸发结晶器和真空闪发结晶器

　　真空蒸发结晶器和真空闪发结晶器连续结晶，它与间歇结晶器的概念完全不同间歇结晶为常压，真空蒸发器和真空闪发结晶器是在真空状态下连续结晶，连续进料、连续出料。生产是均衡的连续的，真空蒸发器结晶器是在相同的压力温度下，边蒸发，边结晶生产，因此它有加热室和蒸发结晶室。真空闪发结晶是降温结晶。它需要闪发一部分热量（把热量变成水蒸气闪发出去）所以它不需要加热室，只有闪发结晶室，而结晶室内又分为闪发区，晶

核成长区、沉降区、母液分离区，中央循环管区等，尤其是D、T、B型结晶罐，还设有立式轴流泵，进行自身循环，让新的物料降温，在中央循环管内进行，不破环结晶在介稳区内正常生长，因此这种结晶器，结晶颗粒大，粒度均匀、园滑，是间歇结晶不能比拟的。

　　结晶器的类型分为FC型，奥斯陆型和DTB型，世界各国都是在这三种结晶器的基础上，不断研究，不断改进，以形成自己的风格，朝着更节能，更节省材料，结晶效果更好的方向努力。我国也在努力，设计人员研制的味精真空蒸发结晶器，直径φ5600、高14m，体积130m3, 味精颗粒长3-4mm，直径1～1.2mm，立式轴流泵仅15KW，已于2002年在安徽、蚌埠、丰原生化集团公司投入生产，其技术水平已经和国外先进水平相差无几。

　　3、喷雾干燥设备

　　喷雾干燥分为压力式、气流式、离心式，这些技术均已成熟，我国在染料（压力式喷雾干燥）、白炭黑（离心式喷雾干燥）、制药行业（气流式喷雾干燥）上应用已很普遍，技术也很成熟，主要结构分为供料系统、雾化系统、干燥系统、气固分离系统，目前，干燥塔最大直径已可以做到12M，最大干燥蒸发水量已可以做到15000㎏/小时自己研制的离心雾化器已获得了国外同行专家的赞誉。

　　4、材质：材质选择正确与否，直接关系到蒸发、结晶、干燥设备的使用寿命。废水有酸性、碱性、有含氯离子、硫离子、铵离子、浓度不一的盐，腐蚀性也不甚相同，所以必须选择相应的材质，保证设备的正常运转，温度不同，材质型号也不同。如：含有氯离子的废水蒸发结晶时温度40℃以下时，材质选择2304＃，双相不锈钢温度在40℃～90℃时，材质选择2205＃，双相不锈钢如：含有氯离子，又含有铵离子的废水蒸发结晶时 温度在40℃以下时，材质选择2205＃，双相不锈钢温度在40℃～90℃时，材质选择2507＃，双相不锈钢温度在90℃以上时，材质选择254SMo或钛材。对于酸性或碱性盐PH=4～10之间的废水可以选择奥氏体316L、304L，温度越高要求材质越好。而氯、硫离子存在水中时，必须选用双相不锈钢，因为双相不锈钢对应力腐蚀开裂，点腐蚀和晶间腐蚀有着优良的耐腐蚀性。

　　四、努力的方向

　　清洁生产，工业废水零排放，是各级政府环保部门一直追求的目标，也是企业，尤其是老企业努力的方向，目前主要问题仍是资金困扰着企业，技术改造资金难以落实，我们科技人员希望看到政府、银行和企业携起手来，为共同的目标，积极筹措资金，为实现清洁生产，实现社会效益和经济效益双丰收而共同努力。

　　我们科技人员在现有技术的基础上，将继续研究工业废水零排放中出现的新问题。

　　为减少资金投入，开发用一套设备同时提取废水中两种盐，如氯化钠和硫酸钠，氯化钠和氯化铵等新工艺，目前该技术已经有突破，施工设计均已完成，只待投产后再大力推广。

　　2、为了减少资金的投入，用较便宜的材质替代娇贵的金属材料。这需要和治金部门共同联手，我们正在做方面的工作

　　3、从废水中提取有用的物质，是一项系统工程，它涉及的专业和目前的环保专业是大相径庭的，我们希望政府和企业的环保技术人员努力学习相关的化学基础，用蒸发、结晶的技术消灭废水将成为企业环保的新途径。

                                 2009.4.18

*作者简介：孔庆颐，温州贝诺机械有限公司的技术顾问，高级工程师，原国家科学技术进步奖评审员。从事盐化工真空蒸发、真空结晶器四十余年，对蒸发结晶设备研究、设计、生产项目，如盐、氯化铵、硫酸铵、芒硝、碳酸钾、小苏打、硫酸镁等无机盐的提取，达到国内先进水平。