基于降膜蒸發(fā)的變電站污水零排放影響因素分析

郭季璞，張欣宜，王雅琛，樊成虎，劉子瑞，吳 健，楊育娟，周忻宇，張 強(qiáng)

（1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國網(wǎng)陜西省電力有限公司西安供電公司，陜西 西安 710032；3.國網(wǎng)陜西省電力有限公司咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000；4.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048；5.國網(wǎng)（西安）環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安， 710100；6.國網(wǎng)陜西省電力有限公司西咸新區(qū)供電公司，陜西 西安 712000；7.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127）

0 引言

我國大部分變電站地處偏遠(yuǎn)，產(chǎn)生的生活污水無法排入市政管網(wǎng)進(jìn)行有效處理，而且許多變電站往往處在水資源保護(hù)敏感地區(qū)，這些區(qū)域不允許有污水排放。因此，如何有效處理變電站生活污水對(duì)于變電站及周邊環(huán)境而言至關(guān)重要。

目前，變電站污水大多通過在站內(nèi)建設(shè)生物處理設(shè)施處理，處理后的出水直接排放到周邊環(huán)境或存儲(chǔ)起來。但是，由于變電站污水量小，傳統(tǒng)生物處理設(shè)施無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，許多變電站污水處理系統(tǒng)處于廢棄狀態(tài)［1-2］，而且，隨著變電站智能化程度越來越高，所需站內(nèi)值守人員數(shù)量逐漸減少，導(dǎo)致產(chǎn)生的污水量越來越少，那么，現(xiàn)有的生物法污水處理系統(tǒng)無法有效處理變電站生活污水。此外，處理后的出水長時(shí)間存儲(chǔ)也存在形成黑臭水體的風(fēng)險(xiǎn)。

污水零排放技術(shù)在處理污水的同時(shí)沒有廢水外排，能夠避免污水對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，是一種理想的處理變電站生活污水方法。降膜蒸發(fā)污水處理工藝是污水零排放中應(yīng)用較廣的工藝之一，在工業(yè)污水處理領(lǐng)域有比較成熟的應(yīng)用［3-4］，其主要是通過物理傳熱，將污水以水蒸汽方式排入環(huán)境，與傳統(tǒng)污水處理法相比，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：1）無需培養(yǎng)微生物；2）不需額外投加藥劑；3）一體化程度高，占地面積小，使用場(chǎng)所靈活，操作簡單、運(yùn)行管理方便；4）適宜生物法難以處理和分散式污水的處理，污水可達(dá)“零排放”。針對(duì)變電站地處偏遠(yuǎn)、水量小，傳統(tǒng)生物處理技術(shù)無法正常運(yùn)行的特點(diǎn)，郭季璞等［5］通過降膜蒸發(fā)技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了變電站生活污水零排放處理。降膜蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)污水量要求較低，通過根據(jù)生活污水量多少相應(yīng)改變降膜蒸發(fā)柱數(shù)量即可，有效避免傳統(tǒng)生化法處理對(duì)水量的要求。李燕等［6］采用降膜蒸發(fā)-濃縮-冷凍結(jié)晶組合工藝處理高鹽焦化廢水，實(shí)現(xiàn)了廢水的零排放，而且回收的鹽分品質(zhì)較高。任涵［7］采用“降膜蒸發(fā)器+機(jī)械蒸發(fā)壓縮”雙效蒸發(fā)技術(shù)對(duì)光伏行業(yè)含鹽廢水進(jìn)行處理，經(jīng)過單效降膜蒸發(fā)器處理后，廢水含鹽量濃縮到了25%，后通過分離提純、回收再利用，實(shí)現(xiàn)了光伏廢水的“零排放”。

降膜蒸發(fā)污水處理技術(shù)可有效解決傳統(tǒng)生物處理法的弊端，在變電站生活污水處理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，本文基于降膜蒸發(fā)污水處理工藝的原理，總結(jié)分析設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)降膜蒸發(fā)污水處理效率的影響，明確各參數(shù)對(duì)處理效率的影響機(jī)制，以期為變電站污水零排放設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 降膜蒸發(fā)污水處理工藝原理

降膜蒸發(fā)污水處理示意圖如圖1 所示，污水通過提升泵從污水蓄水池提升到降膜蒸發(fā)器頂部，經(jīng)布水器均勻分配在各降膜管頂部，污水以液膜形式沿著降膜管外壁向下流動(dòng)，同時(shí)，熱水在降膜管內(nèi)部由下至上流動(dòng)，熱水通過管壁將熱量傳遞到管外壁的污水，污水受熱汽化后排放到環(huán)境中，從而達(dá)到污水“零排放”的目的。

圖1 降膜蒸發(fā)污水處理系統(tǒng)裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the device of falling film evaporation sewage treatment

2 降膜蒸發(fā)污水處理效率影響因素

影響降膜蒸發(fā)器處理效率的因素可分為設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，其中設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括布水器、降膜管管形、管表面結(jié)構(gòu)等；運(yùn)行參數(shù)主要包括進(jìn)水水質(zhì)（進(jìn)水溫度、粘度、濃度等物理性質(zhì)）、進(jìn)水流量、熱通量和結(jié)垢等因素［8］。這些因素通過改變降膜蒸發(fā)設(shè)備的傳熱性能進(jìn)而對(duì)污水降膜蒸發(fā)處理效率產(chǎn)生影響。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

2.1.1 布水器

布水器是保證降膜蒸發(fā)器高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其主要作用是使得進(jìn)水沿降膜管外壁均勻分布，避免由液膜分布不均造成“干壁”現(xiàn)象，從而影響蒸發(fā)效率和設(shè)備運(yùn)行時(shí)長。常見的降膜蒸發(fā)液體分布器有插頭型、溢流型、噴淋型和盤型［9-10］，如盧娟［11］提出的三級(jí)盤式分布器和包琳琳等［12］提出的新型液體分布器，液體可均勻分布，同時(shí)還有防止二次蒸汽擾動(dòng)和二次布水作用等特點(diǎn)，在布水器實(shí)際設(shè)計(jì)中均具有很好的參考價(jià)值。

而對(duì)于采取溢流進(jìn)水的多孔板型液體布水器，噴孔尺寸是制約液膜均勻性的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。噴孔直徑小、數(shù)量大則液膜更均勻，但直徑過小易于發(fā)生堵塞［13］。顏雪娟等［14］通過實(shí)驗(yàn)確定了液體分布盤小孔開孔與導(dǎo)流管的安裝位置，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定了布液盤小孔孔徑為7 mm～8 mm 時(shí)效果最佳。較低的噴霧高度可以形成連續(xù)穩(wěn)定的液膜，可以改善液膜潤濕性，防止出現(xiàn)干斑，而隨高度的增加，液體到達(dá)管壁上的速度增加，膜厚變小更加有利于傳熱，但高度過大易造成液膜表面破裂［15-16］?？傮w上，噴霧高度影響管段有限，通常只會(huì)對(duì)入口處液膜流速造成影響，而管下半段液膜受表面張力影響更大［17-18］。此外，Luo 等［19］研究發(fā)現(xiàn)噴霧高度應(yīng)保持在10 mm 左右，而進(jìn)液方向則保持在切向最佳。

2.1.2 降膜管

降膜管是影響降膜蒸發(fā)傳熱性能的關(guān)鍵因素之一。目前關(guān)于降膜管對(duì)傳熱性能影響的研究主要集中在管徑、管口形狀、管表面結(jié)構(gòu)3個(gè)方面。

1）管徑

管徑的改變通過影響傳熱面積和改變液膜流動(dòng)狀態(tài)影響傳熱。管徑越大，污水的圓周擴(kuò)散越慢，動(dòng)力損失越多，液膜波動(dòng)越差，導(dǎo)致膜厚變化范圍小。在不改變流量的情況下液膜更均勻。而管徑減小時(shí)，進(jìn)水從布水器流下時(shí)會(huì)在管上部形成沖擊區(qū)域，沖擊區(qū)域的擾動(dòng)也會(huì)有利于傳熱［15］。在污水流量一定的條件下，管徑越小，液膜越厚，蒸發(fā)效果呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。因此，在污水降膜蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)基于污水流量，研究不同管徑時(shí)系統(tǒng)的蒸發(fā)效率，獲取最優(yōu)管徑參數(shù)。

2）管形

降膜管形狀對(duì)傳熱性能的影響與管徑類似，主要體現(xiàn)在液膜流動(dòng)狀態(tài)上。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)半橢圓管比圓管的液膜厚度更小、平均傳熱系數(shù)更大。Zhang 等［20］研究發(fā)現(xiàn)半橢圓管的傳熱系數(shù)比圓管高11.3%。此外，還有學(xué)者用蛋形管、液滴管、扁管等異形管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過保證有效傳熱面積相同的前提下，研究各種異形管外的液膜厚度和傳熱性能［21-22］，其中，橢圓管和滴形管的最小膜厚分別比圓管小9.8%和2.0%，橢圓形管和滴形管的平均傳熱系數(shù)分別比圓形管高約34.03%和12.63%。因此，在實(shí)際污水降膜蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇橢圓形管和滴形管，以提高系統(tǒng)傳熱性能。

3）表面結(jié)構(gòu)

降膜管的表面結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能影響較為顯著。通過改進(jìn)管表面結(jié)構(gòu)，增大傳熱面積或者對(duì)液膜流動(dòng)狀態(tài)施加影響來改善傳熱。波紋管內(nèi)壁有特殊環(huán)肋結(jié)構(gòu)，這相當(dāng)于增加傳熱面積，從而表現(xiàn)出更高的傳熱性能。研究表明波紋管的傳熱系數(shù)約為光滑管的1.23倍［23］；內(nèi)壁燒結(jié)多孔管的傳熱系數(shù)約為光滑管的2.03倍［24］。Zhang等［25］研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)管的傳熱系數(shù)可達(dá)光滑管的2～12 倍，主要是由于在其軸向的液膜流速增強(qiáng)，使得膜厚降低，從而增大傳熱系數(shù)。因此，在實(shí)際污水降膜蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)先考慮波紋管、多孔管和增強(qiáng)管，其具有更高的傳熱系數(shù)，可提高污水蒸發(fā)效率。

2.1.3 接觸材料

接觸材料主要是親水性聚合物，有研究表明在降膜管外包裹親水性聚合材料可以有效提高降膜蒸發(fā)器的性能。Jochen［26］開發(fā)了一種高性能聚合物聚醚醚酮（PEEK）制成的傳熱接觸面，與傳統(tǒng)聚合物材料相比，系統(tǒng)換熱系數(shù)明顯提升。通過在降膜蒸發(fā)柱表面包裹親水性棉布，可使污水降膜蒸發(fā)的效率提高約56%［5］。由于棉布的吸水性，污水在降膜柱表面的停留時(shí)間增加，受熱時(shí)間更長，蒸發(fā)效率更高。此外，棉布具有保溫作用，可以減少系統(tǒng)熱量散失。因此，通過在降膜柱表面包裹親水性材料可以有效提高污水的蒸發(fā)效果。

2.2 運(yùn)行參數(shù)的影響

2.2.1 進(jìn)水水質(zhì)和流量

與傳統(tǒng)污水處理工藝影響因素類似，進(jìn)水水質(zhì)和流量也是影響降膜蒸發(fā)污水處理效率的關(guān)鍵因素。研究表明影響降膜蒸發(fā)效率的進(jìn)水水質(zhì)主要為進(jìn)水溫度、進(jìn)水粘度和進(jìn)水濃度。進(jìn)水溫度升高可增加液膜流速，降低污水粘度和表面張力，液膜波動(dòng)更加強(qiáng)烈，傳熱效果整體增強(qiáng)［27-28］；污水粘度受溫度和濃度影響，其中污染物濃度越高，污水粘度越高，膜厚增加，膜流速減小，傳熱系數(shù)減?。?9-30］。而生活污水中污染物濃度低，粘度較小，形成的液膜厚度較小，有利于污水的蒸發(fā)。此外，進(jìn)水流量應(yīng)大于降膜管的最小潤濕流量。進(jìn)水流量與管壁液膜厚度直接相關(guān)。當(dāng)污水流量較大時(shí)，蒸發(fā)管上端沖刷作用增強(qiáng)，可能導(dǎo)致局部傳熱增強(qiáng)，但此時(shí)液膜厚度較厚，系統(tǒng)整體傳熱系數(shù)降低。而且液體快速流下，會(huì)帶走部分熱量，進(jìn)一步導(dǎo)致蒸發(fā)效果下降?？傮w上，隨著污水流量的增加，系統(tǒng)蒸發(fā)效率會(huì)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)［5，31］。

2.2.2 熱通量

管外液體的蒸發(fā)受管內(nèi)傳熱介質(zhì)熱量的影響，即單位面積的熱通量。通常，熱通量越大，污水的蒸發(fā)效率越高［5，30］。因?yàn)?，傳熱系?shù)與熱通量成正比，壁面熱通量越高，提供汽化所需的熱量越多，蒸發(fā)效果越好［32］。但液膜破裂后會(huì)導(dǎo)致管壁干燥從而惡化系統(tǒng)蒸發(fā)效率?？傮w上，隨著熱通量的增大，系統(tǒng)蒸發(fā)效率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)［33］。這是因?yàn)闊嵬窟m當(dāng)增大時(shí)，傳熱系數(shù)隨之增大，液膜的蒸發(fā)速率加快。但熱通量過大時(shí)，液膜湍流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)或產(chǎn)生液體飛濺等現(xiàn)象造成液膜干燥，導(dǎo)致蒸發(fā)效率降低。因此，在保證管外壁液膜不干燥的前提下，可適當(dāng)提高系統(tǒng)熱通量，以提高污水蒸發(fā)效率。

2.2.3 管道結(jié)垢

降膜蒸發(fā)設(shè)備經(jīng)過長期使用，管道及填充材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)水垢，結(jié)垢后管道熱阻增加，導(dǎo)致管道傳熱性能變差，蒸發(fā)效率顯著降低［34］。此外，管道結(jié)垢后易發(fā)生液膜破裂，造成系統(tǒng)的蒸發(fā)性能下降［35］，而生活污水污染物濃度低，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的污垢量較少，可保證降膜蒸發(fā)設(shè)備的長期正常運(yùn)行。為了進(jìn)一步降低結(jié)垢量，在利用降膜蒸發(fā)技術(shù)處理污水時(shí)，可增加預(yù)處理裝置，降低污水的硬度，減少后續(xù)蒸發(fā)結(jié)垢量；或者定期清理蒸發(fā)柱表面污垢，提高系統(tǒng)蒸發(fā)效率。

3 結(jié)語

基于降膜蒸發(fā)的變電站污水處理技術(shù)能夠有效地實(shí)現(xiàn)變電站生活污水零排放。該技術(shù)在處理污水的同時(shí)，能夠避免污水對(duì)周圍環(huán)境的影響，具有無需額外投加化學(xué)藥劑，對(duì)水質(zhì)水量的要求較低，應(yīng)用場(chǎng)所靈活的特點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)降膜蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)（布水器、管徑、管形）以及運(yùn)行參數(shù)（進(jìn)水溫度、粘度、濃度、流量和熱通量），增加傳熱面積或優(yōu)化系統(tǒng)傳熱效率，提高能量利用率，有效提高污水處理系統(tǒng)的處理效率。