張尚會 柴永峰 劉新偉

中國天辰工程有限公司 天津 300400

1 概述

氨氮廢水作為工業(yè)生產(chǎn)中的一種常見廢水，目前的處理方法主要有物化法、生物法和化學(xué)法[1,2]。隨著環(huán)保要求和廢水排放指標(biāo)的日益嚴(yán)格，很多廢水存在氨氮嚴(yán)重超標(biāo)的情況[3]，因此，去除廢水中的氨氮已成為很多行業(yè)污水處理上存在的主要問題之一[4]。

針對某項目氨氣洗滌系統(tǒng)中產(chǎn)生的硫酸銨廢水氨氮含量不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)狀，采用蒸發(fā)法[5]和汽提法[6]預(yù)處理硫酸銨廢水，使氨氮含量降低至200ppm，滿足污水處理廠進(jìn)一步處理的水質(zhì)要求，并確定每種方案的操作條件及公用工程消耗。在此基礎(chǔ)上，從能耗和廢水處理效果兩個方面對蒸發(fā)法和汽提法進(jìn)行對比，并做了經(jīng)濟(jì)性分析，選擇相對合理經(jīng)濟(jì)的方案。

2 工藝流程

本文研究某項目氨氣洗滌系統(tǒng)中產(chǎn)生的硫酸銨廢水，其處理量為911kg/h，溫度和壓力分別為40℃和0.3 MPa(G)，組成見表1。

表1 硫酸銨廢水組成表

2.1 蒸發(fā)法

蒸發(fā)法采用并流二效蒸發(fā)形式，其優(yōu)點在于各效之間可不用泵輸送溶液，減少了能耗和動設(shè)備的投入。硫酸銨溶液通過蒸發(fā)法將廢水分為水和硫銨成品，達(dá)到了降低廢水氨氮含量的目的,其工藝流程見圖1。

圖1 蒸發(fā)法處理硫酸銨廢水工藝流程

2.1.1 蒸發(fā)單元

該單元的主要功能是通過蒸發(fā)部分水，提高廢水中硫酸銨的濃度，起到增濃廢水的作用。

儲存在硫酸銨儲槽中的氨氣洗滌系統(tǒng)廢水，經(jīng)硫酸銨溶液泵加壓，送預(yù)熱器加熱后進(jìn)一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)室。蒸汽從加熱室殼側(cè)進(jìn)入，加熱濃縮硫酸銨廢水。

由一效蒸發(fā)器形成的完成液，進(jìn)二效蒸發(fā)器的蒸發(fā)室。加熱蒸汽采用一效蒸發(fā)器的二次蒸汽，同時，一效蒸發(fā)器的完成液進(jìn)二效時即成過熱狀態(tài)而立即自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽。經(jīng)加熱蒸發(fā)后，最終形成的完成液硫酸銨濃度為60 wt%。

一效蒸發(fā)器的冷凝水在預(yù)熱器中與原料液換熱后回鍋爐房，二效蒸發(fā)器的冷凝水與頂部生成的二次蒸汽冷凝后共同送凝液槽。

2.1.2 后處理單元

雙效蒸發(fā)獲得的完成液通過后處理單元回收硫酸銨。

完成液經(jīng)二效出料泵送增稠器，頂流返回硫酸銨儲槽循環(huán)，底流進(jìn)離心機(jī)。經(jīng)離心分離操作形成的硫酸銨結(jié)晶進(jìn)流化床干燥器，干燥后硫酸銨作為成品采出，夾帶少量硫酸銨固體顆粒的熱空氣首先經(jīng)旋風(fēng)分離器提高硫酸銨的回收率。其次，進(jìn)水浴除塵器，尾氣由引風(fēng)機(jī)放空，洗液經(jīng)洗水泵排出。

2.2 汽提法

采用蒸汽汽提的方式將氨汽提至塔頂，經(jīng)冷凝后部分作為產(chǎn)品氨水采出。同時將塔底溶液中氨氮含量降低至200 ppm以下，從而達(dá)到對硫酸銨廢水的預(yù)處理。對比蒸發(fā)法，該法大大降低了蒸汽的用量，降低了能耗，其工藝流程見圖2。

圖2 汽提法處理硫酸銨廢水工藝流程

儲存在硫酸銨儲槽中的26 wt%的硫酸銨廢水經(jīng)硫酸銨溶液泵加壓后與NaOH溶液在混合器中混合并發(fā)生反應(yīng)，生成Na2SO4和氨水。反應(yīng)后的溶液在進(jìn)料換熱器中加熱至90℃后進(jìn)蒸汽汽提塔。

蒸汽汽提塔塔頂冷凝器采用循環(huán)冷卻水為冷劑。塔底采用0.6 MPa(G)的蒸汽汽提，氨汽提至塔頂并進(jìn)塔頂冷凝器冷凝。經(jīng)回流罐后由回流泵加壓至0.7MPa(G)，一部分冷卻的氨水回流至汽提塔，一部分以產(chǎn)品形式采出。采出的氨水濃度為20 wt%。經(jīng)氨水冷卻器冷卻后送回收氨水儲罐。汽提塔塔底為硫酸鈉水溶液，由塔底泵加壓至0.6 MPa(G)后，與反應(yīng)后的溶液在進(jìn)料換熱器換熱后排出。

經(jīng)過汽提塔汽提后，硫酸銨廢水分成塔頂?shù)?0 wt%的氨水產(chǎn)品和塔底的Na2SO4溶液。其中Na2SO4溶液的氨氮含量小于200 ppm。由于此類廢水控制嚴(yán)格，氨氮含量≤20 ppm才可以直接排放。因此，塔底的Na2SO4溶液還需送污水處理廠采用生物法進(jìn)一步處理。

綜合兩種方案，盡管蒸發(fā)法將硫酸銨廢水分成了硫銨產(chǎn)品和水，沒有造成二次污染，很好解決了廢水處理的問題。但對比汽提法，蒸發(fā)法不僅蒸汽用量大，能耗高，而且設(shè)備多，費用高。相反，汽提法則相對簡化了流程，節(jié)約了成本，降低了投資，但也存在處理不完善，仍需二次處理的問題。因此，需對兩種方案進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)果分析和經(jīng)濟(jì)性比較。

3 結(jié)果分析

3.1 產(chǎn)品分析

兩種方案在廢水處理過程中，均同時獲得了副產(chǎn)品，即蒸發(fā)法的硫銨和汽提法的氨水。兩種方案的處理結(jié)果見表2和表3。

表2 蒸發(fā)法產(chǎn)品分析

表3 汽提法產(chǎn)品分析

由表2可知，硫酸銨廢水經(jīng)蒸發(fā)法處理后，不僅達(dá)到了對廢水的處理要求，氨氮含量小于200ppm，而且排放水中基本不含氨氮，無需再送處理廠進(jìn)一步處理。蒸發(fā)獲得的硫酸銨濃度為99.8 wt%，作為副產(chǎn)品采出。尾氣主要為空氣和少量水，無毒害物質(zhì)，可直接排空。

由表3可知，汽提法將硫酸銨廢水處理為Na2SO4溶液和氨水。其中，Na2SO4溶液氨氮含量為200ppm，滿足了污水處理廠進(jìn)一步處理的水質(zhì)要求。氨水濃度為20 wt%，作為副產(chǎn)品采出。

無論是蒸發(fā)法還是汽提法，均能滿足硫酸銨廢水的處理要求，故仍需對兩種方案的經(jīng)濟(jì)性作進(jìn)一步分析。

3.2 能耗分析

項目涉及的公用工程主要是0.6 MPa(G)的蒸汽，此外還有少量的循環(huán)水和工業(yè)用電。對比兩種方案的水電氣消耗，見表4。

表4 公用工程消耗分析

由表4可知，蒸發(fā)法采用二效蒸發(fā)，蒸汽用量為0.66 t/h，比汽提法多用65%。此外，蒸發(fā)法的用電量為13.9kW，也遠(yuǎn)高于汽提法。這主要是由于蒸發(fā)法耗電設(shè)備多，除泵以外還有增稠器、離心機(jī)、引風(fēng)機(jī)等，而汽提法僅為4臺電機(jī)功率為1.1 kW的泵。在用水消耗方面，汽提法比蒸發(fā)法每小時多用6.92 t循環(huán)水和1.35 t新鮮水。但綜合來看，由于蒸汽是主要的公用工程消耗，故對比蒸發(fā)法，汽提法相對節(jié)能。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)目前市場行情和項目情況，確定了原料、公用工程及產(chǎn)品的價格，見表5。

表5 原料、公用工程及產(chǎn)品價格表 (元/t)

依據(jù)對兩種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。其中，年經(jīng)濟(jì)效益按式(1)計算[7]。

M=∑Bi×Pi-F-U-C/h

(1)

式中，B、P、F、U、C和h分別為價格、年產(chǎn)量、年原料消耗、年公用工程消耗、年設(shè)備費及設(shè)備折舊年限(取10年)。為了便于計算，將兩種方案的管道、電氣和儀表等費用按相同處理。工廠年運(yùn)行時間為8000h。

4.1 原料成本

汽提法采用48 wt%的NaOH溶液處理硫酸銨廢水，年消耗2632 t，約197.4萬元。蒸發(fā)法則直接對廢水進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，故原料成本為0。

4.2 公用工程消耗

根據(jù)表4中公用工程的消耗和表5中水電氣的價格，計算得各公用工程的年消耗量和年費用，見表6。

表6 公用工程年消耗量和費用

由表6可知，蒸發(fā)法公用工程年消耗92.07萬元，比汽提法多花費50%還多。可見，汽提法運(yùn)行成本較低。

4.3 設(shè)備費

蒸發(fā)法和汽提法的設(shè)備費對比見表7。

表7 設(shè)備費對比 (萬元)

從表7中可知，汽提法的設(shè)備費一次性投入僅為30萬元，不足蒸發(fā)法的1/3?？梢?，流程簡單、設(shè)備少是汽提法優(yōu)于蒸發(fā)法的重要原因之一。不僅如此，汽提法設(shè)備維護(hù)費也較蒸發(fā)法少很多。

4.4 產(chǎn)品收益

在處理廢水達(dá)標(biāo)的前提下，蒸發(fā)法年產(chǎn)硫銨副產(chǎn)品1896 t，按每噸硫銨價格570元(表5)，約合108.07萬元。汽提法年副產(chǎn)20wt%氨水2440t，約合268.4萬元。因此，在滿足處理廢水目標(biāo)的基礎(chǔ)上，汽提法通過副產(chǎn)品的收益遠(yuǎn)高于蒸發(fā)法。

4.5 經(jīng)濟(jì)收益

通過對兩種方案的經(jīng)濟(jì)性分析，蒸發(fā)法處理硫酸銨廢水的年成本約為103.47萬元。而汽提法由于增加了原料NaOH的消耗，故其成本高達(dá)260.75萬元。此外，由于汽提法處理后的硫酸鈉廢水還需污水處理廠再處理，其費用為1.5元/t，因此其實際成本為262.35萬元。

結(jié)合副產(chǎn)品的收益，綜合各方案的投入及產(chǎn)出，由式(1)可得蒸發(fā)法和汽提法的年經(jīng)濟(jì)效益分別為4.60萬元、6.05萬元。由此可得，兩種方案在處理廢水滿足排放要求的基礎(chǔ)上，均能形成實際收益，取得了雙重效果。但形成的年經(jīng)濟(jì)效益較低，且兩種方案效益相近。在副產(chǎn)品利用方面，考慮到汽提法的副產(chǎn)氨水恰好為項目主工藝裝置的原料，故無需考慮長期外售和貯存的問題，而蒸發(fā)法的副產(chǎn)硫銨則需作為化肥另尋銷售渠道。因此，綜合能耗、設(shè)備一次性投入及維護(hù)費用、經(jīng)濟(jì)效益和副產(chǎn)品利用等方面，汽提法是處理該項目中硫酸銨廢水更為合理有效、經(jīng)濟(jì)性更好的方案。

5 結(jié)語

(1)通過采用蒸發(fā)法和汽提法處理硫酸銨廢水，使氨氮含量降低至200ppm，達(dá)到了處理廢水的目的，同時獲得了硫銨或氨水的副產(chǎn)品，取得了雙重效果。

(2)從產(chǎn)品和能耗兩方面對兩種方案進(jìn)行了分析比較。汽提法是處理該項目中硫酸銨廢水更為合理有效的方案，推薦用于項目設(shè)計。

參 考 文 獻(xiàn)

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