基于降膜蒸发的变电站污水零排放影响因素分析
郭季璞，张欣宜，王雅琛，樊成虎，刘子瑞，吴 健，杨育娟，周忻宇，张 强
（1.国网陕西省电力有限公司电力科学研究院，陕西 西安 710100；
2.国网陕西省电力有限公司西安供电公司，陕西 西安 710032；
3.国网陕西省电力有限公司咸阳供电公司，陕西 咸阳 712000；
4.国网陕西省电力有限公司，陕西 西安 710048；
5.国网（西安）环保技术中心有限公司，陕西 西安， 710100；
6.国网陕西省电力有限公司西咸新区供电公司，陕西 西安 712000；
7.西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127）
我国大部分变电站地处偏远，产生的生活污水无法排入市政管网进行有效处理，而且许多变电站往往处在水资源保护敏感地区，这些区域不允许有污水排放。因此，如何有效处理变电站生活污水对于变电站及周边环境而言至关重要。
目前，变电站污水大多通过在站内建设生物处理设施处理，处理后的出水直接排放到周边环境或存储起来。但是，由于变电站污水量小，传统生物处理设施无法正常运转，许多变电站污水处理系统处于废弃状态［1-2］，而且，随着变电站智能化程度越来越高，所需站内值守人员数量逐渐减少，导致产生的污水量越来越少，那么，现有的生物法污水处理系统无法有效处理变电站生活污水。此外，处理后的出水长时间存储也存在形成黑臭水体的风险。
污水零排放技术在处理污水的同时没有废水外排，能够避免污水对周围环境产生影响，是一种理想的处理变电站生活污水方法。降膜蒸发污水处理工艺是污水零排放中应用较广的工艺之一，在工业污水处理领域有比较成熟的应用［3-4］，其主要是通过物理传热，将污水以水蒸汽方式排入环境，与传统污水处理法相比，具有独特优势：1）无需培养微生物；
2）不需额外投加药剂；
3）一体化程度高，占地面积小，使用场所灵活，操作简单、运行管理方便；
4）适宜生物法难以处理和分散式污水的处理，污水可达“零排放”。针对变电站地处偏远、水量小，传统生物处理技术无法正常运行的特点，郭季璞等［5］通过降膜蒸发技术有效实现了变电站生活污水零排放处理。降膜蒸发系统对污水量要求较低，通过根据生活污水量多少相应改变降膜蒸发柱数量即可，有效避免传统生化法处理对水量的要求。李燕等［6］采用降膜蒸发-浓缩-冷冻结晶组合工艺处理高盐焦化废水，实现了废水的零排放，而且回收的盐分品质较高。任涵［7］采用“降膜蒸发器+机械蒸发压缩”双效蒸发技术对光伏行业含盐废水进行处理，经过单效降膜蒸发器处理后，废水含盐量浓缩到了25%，后通过分离提纯、回收再利用，实现了光伏废水的“零排放”。
降膜蒸发污水处理技术可有效解决传统生物处理法的弊端，在变电站生活污水处理方面具有独特的优势。因此，本文基于降膜蒸发污水处理工艺的原理，总结分析设计参数和运行参数对降膜蒸发污水处理效率的影响，明确各参数对处理效率的影响机制，以期为变电站污水零排放设备的设计优化提供参考。
降膜蒸发污水处理示意图如图1 所示，污水通过提升泵从污水蓄水池提升到降膜蒸发器顶部，经布水器均匀分配在各降膜管顶部，污水以液膜形式沿着降膜管外壁向下流动，同时，热水在降膜管内部由下至上流动，热水通过管壁将热量传递到管外壁的污水，污水受热汽化后排放到环境中，从而达到污水“零排放”的目的。
图1 降膜蒸发污水处理系统装置原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the device of falling film evaporation sewage treatment
影响降膜蒸发器处理效率的因素可分为设计参数和运行参数，其中设计参数主要包括布水器、降膜管管形、管表面结构等；
运行参数主要包括进水水质（进水温度、粘度、浓度等物理性质）、进水流量、热通量和结垢等因素［8］。这些因素通过改变降膜蒸发设备的传热性能进而对污水降膜蒸发处理效率产生影响。
2.1 设计参数的影响
2.1.1 布水器
布水器是保证降膜蒸发器高效运行的关键环节之一，其主要作用是使得进水沿降膜管外壁均匀分布，避免由液膜分布不均造成“干壁”现象，从而影响蒸发效率和设备运行时长。常见的降膜蒸发液体分布器有插头型、溢流型、喷淋型和盘型［9-10］，如卢娟［11］提出的三级盘式分布器和包琳琳等［12］提出的新型液体分布器，液体可均匀分布，同时还有防止二次蒸汽扰动和二次布水作用等特点，在布水器实际设计中均具有很好的参考价值。
而对于采取溢流进水的多孔板型液体布水器，喷孔尺寸是制约液膜均匀性的重要结构参数。喷孔直径小、数量大则液膜更均匀，但直径过小易于发生堵塞［13］。颜雪娟等［14］通过实验确定了液体分布盘小孔开孔与导流管的安装位置，并在实验的基础上确定了布液盘小孔孔径为7 mm～8 mm 时效果最佳。较低的喷雾高度可以形成连续稳定的液膜，可以改善液膜润湿性，防止出现干斑，而随高度的增加，液体到达管壁上的速度增加，膜厚变小更加有利于传热，但高度过大易造成液膜表面破裂［15-16］。总体上，喷雾高度影响管段有限，通常只会对入口处液膜流速造成影响，而管下半段液膜受表面张力影响更大［17-18］。此外，Luo 等［19］研究发现喷雾高度应保持在10 mm 左右，而进液方向则保持在切向最佳。
2.1.2 降膜管
降膜管是影响降膜蒸发传热性能的关键因素之一。目前关于降膜管对传热性能影响的研究主要集中在管径、管口形状、管表面结构3个方面。
1）管径
管径的改变通过影响传热面积和改变液膜流动状态影响传热。管径越大，污水的圆周扩散越慢，动力损失越多，液膜波动越差，导致膜厚变化范围小。在不改变流量的情况下液膜更均匀。而管径减小时，进水从布水器流下时会在管上部形成冲击区域，冲击区域的扰动也会有利于传热［15］。在污水流量一定的条件下，管径越小，液膜越厚，蒸发效果呈现先增大后减小的趋势。因此，在污水降膜蒸发设备设计时，应基于污水流量，研究不同管径时系统的蒸发效率，获取最优管径参数。
2）管形
降膜管形状对传热性能的影响与管径类似，主要体现在液膜流动状态上。相关研究发现半椭圆管比圆管的液膜厚度更小、平均传热系数更大。Zhang 等［20］研究发现半椭圆管的传热系数比圆管高11.3%。此外，还有学者用蛋形管、液滴管、扁管等异形管进行了实验，通过保证有效传热面积相同的前提下，研究各种异形管外的液膜厚度和传热性能［21-22］，其中，椭圆管和滴形管的最小膜厚分别比圆管小9.8%和2.0%，椭圆形管和滴形管的平均传热系数分别比圆形管高约34.03%和12.63%。因此，在实际污水降膜蒸发设备设计时，可选择椭圆形管和滴形管，以提高系统传热性能。
3）表面结构
降膜管的表面结构对传热性能影响较为显著。通过改进管表面结构，增大传热面积或者对液膜流动状态施加影响来改善传热。波纹管内壁有特殊环肋结构，这相当于增加传热面积，从而表现出更高的传热性能。研究表明波纹管的传热系数约为光滑管的1.23倍［23］；
内壁烧结多孔管的传热系数约为光滑管的2.03倍［24］。Zhang等［25］研究发现增强管的传热系数可达光滑管的2～12 倍，主要是由于在其轴向的液膜流速增强，使得膜厚降低，从而增大传热系数。因此，在实际污水降膜蒸发设备设计时，可优先考虑波纹管、多孔管和增强管，其具有更高的传热系数，可提高污水蒸发效率。
2.1.3 接触材料
接触材料主要是亲水性聚合物，有研究表明在降膜管外包裹亲水性聚合材料可以有效提高降膜蒸发器的性能。Jochen［26］开发了一种高性能聚合物聚醚醚酮（PEEK）制成的传热接触面，与传统聚合物材料相比，系统换热系数明显提升。通过在降膜蒸发柱表面包裹亲水性棉布，可使污水降膜蒸发的效率提高约56%［5］。由于棉布的吸水性，污水在降膜柱表面的停留时间增加，受热时间更长，蒸发效率更高。此外，棉布具有保温作用，可以减少系统热量散失。因此，通过在降膜柱表面包裹亲水性材料可以有效提高污水的蒸发效果。
2.2 运行参数的影响
2.2.1 进水水质和流量
与传统污水处理工艺影响因素类似，进水水质和流量也是影响降膜蒸发污水处理效率的关键因素。研究表明影响降膜蒸发效率的进水水质主要为进水温度、进水粘度和进水浓度。进水温度升高可增加液膜流速，降低污水粘度和表面张力，液膜波动更加强烈，传热效果整体增强［27-28］；
污水粘度受温度和浓度影响，其中污染物浓度越高，污水粘度越高，膜厚增加，膜流速减小，传热系数减小［29-30］。而生活污水中污染物浓度低，粘度较小，形成的液膜厚度较小，有利于污水的蒸发。此外，进水流量应大于降膜管的最小润湿流量。进水流量与管壁液膜厚度直接相关。当污水流量较大时，蒸发管上端冲刷作用增强，可能导致局部传热增强，但此时液膜厚度较厚，系统整体传热系数降低。而且液体快速流下，会带走部分热量，进一步导致蒸发效果下降。总体上，随着污水流量的增加，系统蒸发效率会呈现先增加后减小的趋势［5，31］。
2.2.2 热通量
管外液体的蒸发受管内传热介质热量的影响，即单位面积的热通量。通常，热通量越大，污水的蒸发效率越高［5，30］。因为，传热系数与热通量成正比，壁面热通量越高，提供汽化所需的热量越多，蒸发效果越好［32］。但液膜破裂后会导致管壁干燥从而恶化系统蒸发效率。总体上，随着热通量的增大，系统蒸发效率呈现先增大后减小趋势［33］。这是因为热通量适当增大时，传热系数随之增大，液膜的蒸发速率加快。但热通量过大时，液膜湍流运动加强或产生液体飞溅等现象造成液膜干燥，导致蒸发效率降低。因此，在保证管外壁液膜不干燥的前提下，可适当提高系统热通量，以提高污水蒸发效率。
2.2.3 管道结垢
降膜蒸发设备经过长期使用，管道及填充材料内部会出现水垢，结垢后管道热阻增加，导致管道传热性能变差，蒸发效率显著降低［34］。此外，管道结垢后易发生液膜破裂，造成系统的蒸发性能下降［35］，而生活污水污染物浓度低，运行过程中产生的污垢量较少，可保证降膜蒸发设备的长期正常运行。为了进一步降低结垢量，在利用降膜蒸发技术处理污水时，可增加预处理装置，降低污水的硬度，减少后续蒸发结垢量；
或者定期清理蒸发柱表面污垢，提高系统蒸发效率。
基于降膜蒸发的变电站污水处理技术能够有效地实现变电站生活污水零排放。该技术在处理污水的同时，能够避免污水对周围环境的影响，具有无需额外投加化学药剂，对水质水量的要求较低，应用场所灵活的特点。通过调节降膜蒸发系统的设计参数（布水器、管径、管形）以及运行参数（进水温度、粘度、浓度、流量和热通量），增加传热面积或优化系统传热效率，提高能量利用率，有效提高污水处理系统的处理效率。
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