高氨氮废水处理技术

 

       利用传统的汽液传质方法将氨氮从废水中分离出来并加以利用的方法,仍然是目前最可靠最成熟的氨氮分离方法之一。介绍了汽液传质氨氮分离方法的理论依据、技术流程及技术应用,并提出了进一步完善此方法的方向。

       氨氮废永来源甚广且排放量大,如化肥、焦化、石化、制药、食品、垃圾填埋场等均产生大量高浓度氨氮废水。氨氮具有很高的耗氧量,它对水生生物是有毒的,可激发其熵变。水体中含有大量的氨氮,使水体产生富营养化效应,刺激并加速水生植物的生长,如海藻、水草的大量生长繁殖,导致水体生态平衡失调,含氨氮的污水排入水体后,在硝化细菌的作用下氧化成亚硝酸盐和硝酸盐。完全氧化1mg氨氮约需4.6mg溶解氧。这对水体质量的改善和保证十分不利。

新葡京线上娱乐注册官网 www.sxnxgm.com        氨氮废水对环境的影响已引起环保领域和全球范围的重视,近20年来,国内外对氨氮废水处理方面开展了较多的研究。其研究范围涉及生物法、物化法的各种处理工艺,如生物方法有硝化和藻类养殖;物理方法有反渗透、蒸馏、氨吹脱、土壤灌溉等;化学法有离子交换法、化学沉淀法、折点氯化、电化学处理、催化裂解等。目前,国内外对氨氮废水的研究主要集中在开发新的脱氨氮处理技术,以达到更好处理氨氮的目的和环保的要求。

       然而,废水中的氨氮主要以铵离子(NH4+)形态存在,利用传统的汽液传质方法将氨氮从废水中分离出来并加以利用的方法,仍然是目前最可靠最成熟的氨氮分离方法之一。本文侧重介绍了利用专用高效传质组件的填料塔处理氨氮废水的技术。

1、理论依据

       水中的氨氮,大多以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)保持平衡的状态而存在,其电离平衡关系式如下:

NH3+H20 →NH4+ +OH- (1)

       氨与氨离子之间的百分分配率可用下式进行计算:

Ka=Kw/Kh=(CNH3.CH+)/CNH4+ (2)

       式中:Ka-氨离子的电离常数,Kw-水的电离常数:Kh-氨水的电离常数由(1)(2)式可以看出在碱性(pH值高)和髙温下,氨氮废水中的氨氮主要将以游离氨(NH3)的状态存在,即将气体或高温水蒸气通入氨氮废水中,通过充分的气液传质过程,废水中溶解的游离氨将穿过气液界面,向气相转移,从而达到脱除氨氮的目的。

       化肥工业的氨氮废水中通常含有大量的二氧化碳(CO2),因此形成NH3-CO2-H20这一较为复杂的体系,既存在化学反应,又存在气液平衡问题。其在液相中存在电离平衡反应,除(1)式外,还有如下反应方程式:

CO2+H2O → HCO3- + H+ (3)
HCO3- → CO32- + H+ (4)
NH3 +HCO3- → NH2COO- + H2O (5)

       上述方程式的电离平衡常数K与温度T关系可由下式表示:

LnK=Ar/T + A2LnK + A3T +A4 (6)

       式中A1~A4为常数;通过(1)、(2)~(6)式,可计算出液相中各组分的浓度。在气液相平衡状态下,关联相应的气液相平衡数据,通过编制计算机程序,即可计算出在给定的进料浓度、操作要求下,脱除氨氮所需的理论板数及塔的最佳操作条件。

2、技术流程

       氨氮废水来源广泛,组成不尽相同,因此利用的汽液传质方法将氨氮从废水中分离出来并加以利用的技术流程,也因具体情况的不同而需要加以变化,图1中(1)~(5)列出了氨氮废水处理的几种流程。

氨氮废水处理流程

       上述流程中的关键设备是解吸塔、精馏塔、吸收塔、吹脱塔等塔器,其设计关键又在于专用高效传质组件的设计和优化,最大可能地提高塔器的氨氮分离效率。

       在氛氮分离流程中,换热器、冷凝器的匹配也是至关重要的。提高换热效率将充分降低过程的蒸汽消耗,节省操作成本。防结晶冷凝器的应用,不仅使操作过程稳定,而且有效地提高了分离效率。

3、技术应用

3.1 化肥工业中的氨氮废水处理

       我国化肥厂数量众多,氨氮废水排放量大。经过调查估算,每生产1t合成氨可产生含氨浓度约1.5%~5.0%的氨氮废水1t左右,同时这类氨氮废水中通常约含二氧化碳2.09%~5.0%。

       上述的氨氮废水COD较低,只要去除氨氮就可以直接排放,因此多采用流程(1)处理氨氮。但由于二氧化碳的存在,塔顶冷凝器容易产生碳氨结晶,因此塔顶回收的浓氨水浓度不能太高,只能够满足碳酸氢铵和尿素的生产。

       流程(2)用来处理联碱生产过程中的氨氮废水,母液经解吸塔脱出氨及二氧化碳,使一部分水排出以保持母液循环的水分平衡,而氨及二氧化碳经吸收后重新回到母液循环系统。

       流程(3)用来处理尿素合成生产过程中的氨氮废水,尿素可在高温、高压下水解成氨及二氧化碳,再经解吸塔回收出氨及二氧化碳,并回用到尿素合成系统中去。

       化肥工业氨氮废水处理集成回收技术被国家科委列为“九五”国家科技成果重点推广项目,并获得化工部科技进步二等奖。目前,化肥工业的氨氮废水处理过程多采用本技术,使大量的氨氮废水得到处理,不仅有良好的环保效益,而且经济效益显著。

       以10t/h、含4%氨、3%二氧化碳的氨氮废水为例,采用本技术可得到的水平如表1所示:

氢氮废水处理结果

3.2精细化工中氨氮废水处理

       随着精细化工的发展,氨也被广泛用作溶剂、助剂,并参与合成,因此有大量的氨氮废水排出,这类废水由于COD等较高,必须经过生化等过程处理后才能排放。为确保生化等过程处理的稳定性,首先要脱除氨氮,使废水中氨氮指标符合生化处理的要求。

       对于一般精细化工中的氨氮废水,只要采用流程(1)仍可使排放水达到生化处理的要求,同时获得高浓度的氨水或氨气,并回用到生产过程中去。然而,作为溶剂或反应物的氨,一般会以气态排出,且回收的氨产品必须要有较高的纯度,因此采用流程(4)处理这类氨氮废气或废水比较合适。生产过程产生的氨气,常常伴有空气或其他气体,首先经吸收塔吸收为稀氨水,以使排放气可合格排放。稀氨水再经精馏塔提纯氨产品,同时获得废水的合格排放或达到生化处理的要求。根据氨产品纯度不同的要求,精馏过程可采用一级或二级精馏,并辅以压缩、冷凝等单元操作,实现回收的氣气或液氨产品的精制。

       利用本技术,我们实现了多套精细化工领域的氨氮分离,达到了生产过程的清洁化、效益化,其中废水排放氨氮浓度低于1.0x10-4、液氨产品纯度99.999%,每吨氨产品蒸汽消耗小于3.5t。

3.3吹脱法氨氮废水处理

       对于氨氮含量较低且回收的氨氮利用价值不高的氨氮废水,采用流程(5)进行氨氮处理比较实际。比如垃圾填埋场产生的大量污水,由于氨氮含量较高,不能进行生化处理,故可首先用空气吹脱的方法脱除其中的氨氮,也可以用蒸汽汽提。垃圾填埋场多在郊外,经空气吹脱出来的氨氮可适当排放,如氨氮量较大,可配备吸收塔,吸收塔的吸收剂可以用水或酸,进一步回收可利用的氨氮。为最大限度地降低氨氨对大气的二次污染,吹脱塔的空气可以通过吸收塔后循环封闭使用,但此法成本较高,需进一步完善。

4、讨论

       利用传统的汽液传质方法将氨氮从废水中分离出来并加以利用的方法,具有技术可靠成熟、适应性强、处理效果稳定、氨氮可回收利用等特点,但仍存在能耗较大、部分废水氨氮去除率低、存在二次污染等缺陷,因此有进一歩完善的必要。

       (1)开发和完善新型氨氮复合分离流程,采用解吸(汽提)、吸收、精馏、压缩冷凝、结晶等偶合分离技术,进一步提高氨氮产品的纯度,降低能耗。

       (2)提高以专用高效传质组件为核心的解吸塔、精馏塔、吸收塔、吹脱塔等塔器的设计,充分发挥其效率高、阻力小、防堵塞、耐腐蚀、成本低的特点,进一步提高氨氮废水的分离效率,降低排放废水对环境的影响。

       (3)开发在催化剂作用下将氨气转化为氮气的新型氨氮处理技术,使得吹脱出来的氦气无害化,避免二次污染;同时将传统的汽液传质方法与(变压)吸附、膜分离等新型分离技术相结合,进一步扩大其应用范围,减少氨氮废水(气)对环境的污染。

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