張樂紅，周康根，陳泉洲

（中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

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過飽和吹脫塔處理鈹冶煉高濃度氨氮廢水的工程實(shí)踐研究

張樂紅，周康根，陳泉洲

（中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

詳細(xì)介紹了過飽和吹脫塔的系統(tǒng)組成與特點(diǎn)，并采用與AMAR樹脂吸附相聯(lián)合的工藝處理湖南某鈹冶煉廠高氨氮廢水。工程實(shí)踐研究表明，過飽和吹脫塔在廢水氨氮初始濃度為20 000 mg／L、pH＝12.29、風(fēng)機(jī)頻率45 Hz、廢水溫度20℃的運(yùn)行條件下，吹脫7 h后廢水氨氮去除率可達(dá)95%，吹脫9.5 h后可將氨氮廢水濃度降低至300 mg／L以下。該聯(lián)合工藝對(duì)高濃度氨氮廢水具有很好的處理效果，出水氨氮濃度低于15 mg／L，且回收的硫酸銨不僅可以沖抵廢水處理成本，甚至還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

過飽和吹脫塔；高氨氮廢水處理；工程實(shí)踐研究

湖南某鈹冶煉廠采用氟化鈹鎂熱還原法生產(chǎn)工藝，此生產(chǎn)工藝下生產(chǎn)鈹及鈹制品的過程中，除了產(chǎn)生含鈹廢水外，還會(huì)產(chǎn)生一定量的高濃度氨氮廢水。目前對(duì)高濃度的氨氮廢水的處理方法主要有吹脫法、樹脂吸附法、化學(xué)沉淀法、生物法等。吹脫法具有工藝流程簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、去除效率穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)［1］，多用于中高濃度、大流量氨氮廢水的預(yù)處理。現(xiàn)有吹脫裝置主要有吹脫池和吹脫塔，由于前者效率低，易受外界環(huán)境影響，因此多采用吹脫塔裝置。傳統(tǒng)的吹脫裝置吹脫出的氨可以回收利用，但有容易結(jié)垢、低溫時(shí)氨氮去除效率低、吹脫時(shí)間長(zhǎng)、二次污染、出水氨氮濃度仍偏高等缺點(diǎn)［2］。因此明確影響吹脫法的關(guān)鍵因素，改進(jìn)吹脫設(shè)備，提高氨氮去除率，對(duì)于氨氮處理成本控制、水污染得到控制、實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義［3］。本文對(duì)本課題組自主研發(fā)的新型吹脫設(shè)備——過飽和氨氮吹脫塔開展工程實(shí)踐的研究，為優(yōu)化過飽和吹脫塔脫氮技術(shù)及設(shè)備的運(yùn)行控制參數(shù)提出實(shí)踐數(shù)據(jù)依據(jù)，為該項(xiàng)技術(shù)的全面推廣提供更加可靠的工程實(shí)踐依據(jù)。

1 過飽和吹脫塔系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

過飽和吹脫塔整合了吹脫與吸收兩個(gè)工藝，其處理工藝是一個(gè)閉路循環(huán)吹脫-吸收工藝，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 氨氮吹脫-吸收工藝系統(tǒng)圖

該工藝有以下特點(diǎn)：（1）整個(gè)吹脫-吸收過程是在完全密閉的循環(huán)體系內(nèi)進(jìn)行，既防止了NH3的外溢造成空氣污染又可防止空氣中的CO2進(jìn)入系統(tǒng)與廢水中的Ca2+形成CaCO3沉淀堵塞填料；（2）與常規(guī)單次過塔吹脫不同的是，系統(tǒng)采用的是循環(huán)吹脫-吸收流程。該流程包括三個(gè)循環(huán)，即氨氮廢水在吹脫液池與吹脫塔間、吸收液在吸收液池與吸收塔間、吹脫氣體在吹脫塔和吸收塔間的循環(huán)；（3）采用循環(huán)吹脫使得常溫吹脫成為可能，節(jié)約了廢水加熱所需的運(yùn)行成本，塔規(guī)模也可大大地縮小，節(jié)約基建投資；（4）吸收液的循環(huán)過程也是吸收后氯化銨的濃縮過程，隨著吹脫吸收過程的進(jìn)行，吸收液中的氯化銨濃度逐漸上升并以結(jié)晶的形式沉于吸收池底。

2 過飽和吹脫塔的工程實(shí)踐研究

2.1 廢水水質(zhì)特點(diǎn)

氨氮廢水主要來源于該廠三車間、四車間及六車間生產(chǎn)排放，日排放氨氮廢水水量為76 m3／d，經(jīng)收集匯合后氨氮廢水濃度的波動(dòng)范圍為3 800～20 000 mg／L；同時(shí)還包含少量重金屬離子。設(shè)計(jì)出水NH3-N濃度低于15 mg／L，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 廢水處理工藝選擇

針對(duì)該鈹冶煉廠所產(chǎn)生的高濃度氨氮廢水水質(zhì)、水量特點(diǎn)，再結(jié)合各氨氮廢水處理方法與工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用性，本工程采用吹脫+吸附聯(lián)合工藝進(jìn)行該氨氮廢水處理。先采用吹脫-吸收工藝作為初步脫氮手段，在降低廢水氨氮濃度的同時(shí)回收大部分（NH4）2SO4，然后采用以AMAR樹脂為氨氮吸附劑的離子交換柱吸附處理工藝對(duì)吹脫后的廢水進(jìn)行深度脫氮，使出水氨氮濃度達(dá)標(biāo)排放。其中初步脫氮工藝處理階段中，最核心的設(shè)備就是過飽和吹脫塔。

2.3 吹脫設(shè)備

氨氮吹脫設(shè)備采用過飽和吹脫塔，設(shè)計(jì)塔徑3 m，塔的主體高度為13.5 m；填料高3 m，分兩層安裝防止壁流；填料體積21 m3，填料采用直徑為50 mm的多面體塑料球；采用濃硫酸作為吸收液。

2.4 過飽和吹脫塔脫氮工藝調(diào)試研究

工藝調(diào)試的目的重點(diǎn)在于通過對(duì)吹脫過程中氨氮初始濃度、廢水初始pH、廢水溫度及吹脫過程風(fēng)機(jī)風(fēng)量等因素的考察，確定吹脫的最佳動(dòng)力學(xué)條件；并探索吹脫過程各影響因子對(duì)吹脫效率的影響。

2.4.1 氨氮廢水初始濃度的影響

控制運(yùn)行條件為pH＝12.39，風(fēng)機(jī)頻率45 Hz，廢水溫度19℃，吸收流量為58 m3／h，考察氨氮廢水在不同初始濃度下，其氨氮去除率隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同初始廢水濃度下氨氮去除率隨時(shí)間變化

從圖2可以看出廢水初始濃度對(duì)氨氮去除率的變化影響不大，可以推測(cè)氨氮去除率在試驗(yàn)條件下受一固定因素影響，即液相傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)以上推測(cè)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可對(duì)不同初始氨氮濃度的廢水進(jìn)行吹脫時(shí)間的預(yù)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，初始氨氮濃度越高，在一定要求的氨氮去除率下，所需要的吹脫時(shí)間也越長(zhǎng)；當(dāng)氨氮廢水初始濃度為20 000 mg／L時(shí)，在一定的吹脫條件下吹脫至300 mg／L時(shí)預(yù)測(cè)所需的吹脫時(shí)間約9 h。

圖3 吹脫至300 mg／L時(shí)吹脫時(shí)間隨廢水起始氨氮濃度的變化

2.4.2 吹脫時(shí)間對(duì)氨氮去除率的影響

在表1給定的條件下連續(xù)運(yùn)行，考察廢水濃度隨時(shí)間的變化，如圖4所示。

表1 廢水吹脫運(yùn)行條件

由圖4可知：（1）廢水初始氨氮濃度20 000 mg／L，吹脫到第7 h，氨氮去除率可達(dá)95%，經(jīng)過9.5 h吹脫后濃度可降低至300 mg／L以下，與之前擬合曲線預(yù)測(cè)所需的吹脫時(shí)間約9 h基本吻合，從而證實(shí)擬合預(yù)測(cè)曲線的可靠性；（2）隨著吹脫時(shí)間的延長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)氨氮的吹脫率逐漸降低。

圖4 廢水氨氮濃度隨時(shí)間的變化

2.4.3 氣液比對(duì)氨氮去除率的影響

根據(jù)表2，通過對(duì)比第9、10批次的數(shù)據(jù)，在吹脫pH＝12左右，吸收流量在76 m3／h左右，吹脫池溫度在21℃左右時(shí)，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同風(fēng)機(jī)頻率對(duì)液相傳質(zhì)系數(shù)的影響

表2 不同氣液比下的廢水吹脫運(yùn)行條件

風(fēng)機(jī)頻率的升高，即增大氣液比，促進(jìn)了液相傳質(zhì)過程的進(jìn)行，有利于吹脫的進(jìn)行，考慮到吹脫能耗的影響，結(jié)合氨氮初始廢水濃度的波動(dòng)情況，風(fēng)機(jī)頻率采用35～45 Hz較適宜。

2.4.4 廢水溫度對(duì)氨氮吹脫去除率的影響

根據(jù)表3，對(duì)比第8、第9批試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考察廢水吹脫溫度對(duì)吹脫傳質(zhì)過程的影響，結(jié)果如圖6所示。

表3 不同廢水溫度下的運(yùn)行條件

圖6 廢水溫度對(duì)液相傳質(zhì)系數(shù)的影響

廢水溫度的升高，促進(jìn)了液相傳質(zhì)過程的進(jìn)行，有利于吹脫的進(jìn)行。

2.4.5 吹脫+吸附聯(lián)合工藝處理氨氮廢水的效果

將經(jīng)吹脫預(yù)處理后的氨氮廢水從吹脫池中由泵加壓入樹脂交換柱，開始AMAR樹脂的吸附深度脫氮處理，以便進(jìn)一步考察氨氮廢水經(jīng)吹脫與吸附聯(lián)合工藝處理后的廢水出水是否達(dá)到國(guó)家一級(jí)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 吸附處理后氨氮廢水處理效果隨床體積數(shù)的變化曲線

由圖7可知，吹脫后濃度為624.17 mg／L的氨氮廢水以一定的進(jìn)水速度（5.9 m／h）從樹脂交換柱頂部進(jìn)入柱內(nèi)，進(jìn)行AMAR樹脂的吸附處理，當(dāng)床體積數(shù)不超過6時(shí)，氨氮廢水的出水濃度低于15 mg／L，完全滿足GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求，此時(shí)樹脂交換柱對(duì)氨氮廢水的去除率高達(dá)99%。

3 工藝運(yùn)行成本分析

本工藝在廢水處理過程中能回收氨氮資源，理論上廢水濃度越高回收的氨氮資源越多，為此通過試驗(yàn)及理論計(jì)算，對(duì)提高廢水氨氮濃度后的處理成本進(jìn)行了估算。

表4 不同廢水濃度條件下廢水處理成本、產(chǎn)值、效益數(shù)據(jù)

由以上數(shù)據(jù)可知，隨著廢水濃度提高，硫酸銨產(chǎn)值迅速提高，當(dāng)廢水濃度超過7 800 mg／L時(shí)，整個(gè)工藝開始獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

1.通過為期一年的試運(yùn)行，過飽和吹脫塔具有運(yùn)行穩(wěn)定、氨氮處理效果好等特點(diǎn)，與樹脂吸附工藝聯(lián)合處理氨氮廢水，可使處理出水穩(wěn)定低于15 mg／L的GB8978-1996氨氮一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，該處理工藝已通過合格驗(yàn)收。

2.成本低廉，使用石灰代替片堿作為廢水pH調(diào)節(jié)劑，降低廢水處理藥劑成本。工藝所采用的石灰有效含量為80%，石灰乳配制濃度為20%，石灰乳密度約1 000 kg／m3；采用建筑用石灰洗灰機(jī)制備石灰乳。

3.密閉氣相循環(huán)吹脫工藝無需蒸汽、電能加熱，并且以固態(tài)硫酸銨鹽形式100%回收氨氮資源，完全沖抵運(yùn)行處理費(fèi)用，不僅降低了廢水處理成本，甚至還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4.處理設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，控制自動(dòng)化程度高，密閉氣相循環(huán)吹脫工藝避免了空氣中二氧化碳進(jìn)入吹脫體系，不會(huì)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀而使設(shè)備結(jié)垢。

［1］ 劉文龍，錢仁淵，包宗宏.吹脫法處理高濃度氨［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（4）：56-59.

［2］ 鐘金松，閔育順，肖賢明，等.淺談高濃度氨氮廢水處理的可持續(xù)發(fā)展方向［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（2）：92-94.

［3］ 吳海忠.吹脫法處理高氨氮廢水關(guān)鍵因素研究進(jìn)展［J］.綠色與科技，2013，2（2）：144-146.

The Industrial Experiment of the Air Stripping Tower Denitrifying Highconcentration Ammonia Nitrogen Wastewater from Beryllium Metallurgy

ZHANG Le-hong，ZHOU Kang-gen，CHEN Quan-zhou
（Institute of Metallurgy and Environment，Central South University，Changsha 410083，China）

This paper introduces the syetem components and characteristics of a supersaturated air stripping tower. The supersaturated air stripping tower combined with AMAR resin adsorption process is used for treating the high concentration of ammonia nitrogen wastewater from one of the beryllium smelting.For supersaturated air stripping tower，it is concluded from real engineening practice that the removal rate can reach 95%in 7 hrs for the wastewater with condition：the concentrate of ammonia nitrogen is 20 000 mg／L，pH 12.29，fan frequency 45 Hz，temperature of wastewater 20℃，it can reduce the concentration of ammonia＆nitrogen to 300 mg／L if the duration is increased to 9.5hrs.If it is combined with AMAR resin adsorption process，the final concentration of the ammonia nitrogen can be reduced to less than 15 mg／L，and the recovery of ammonium sulfate has certain economic benefits.

supersaturated air stripping tower；high concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment；engineering practice research

X758

A

1003-5540（2016）03-0065-04

2016-04-20

張樂紅（1971-），女，講師，主要從事廢水處理研究。