過飽和吹脫塔處理鈹冶煉高濃度氨氮廢水的工程實踐研究

張樂紅，周康根，陳泉洲

（中南大學冶金與環境學院，湖南長沙 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踐研究

張樂紅，周康根，陳泉洲

（中南大學冶金與環境學院，湖南長沙 410083）

詳細介紹了過飽和吹脫塔的系統組成與特點，并采用與AMAR樹脂吸附相聯合的工藝處理湖南某鈹冶煉廠高氨氮廢水。工程實踐研究表明，過飽和吹脫塔在廢水氨氮初始濃度為20 000 mg／L、pH＝12.29、風機頻率45 Hz、廢水溫度20℃的運行條件下，吹脫7 h后廢水氨氮去除率可達95%，吹脫9.5 h后可將氨氮廢水濃度降低至300 mg／L以下。該聯合工藝對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，甚至還能產生一定的經濟效益。

過飽和吹脫塔；高氨氮廢水處理；工程實踐研究

湖南某鈹冶煉廠采用氟化鈹鎂熱還原法生產工藝，此生產工藝下生產鈹及鈹制品的過程中，除了產生含鈹廢水外，還會產生一定量的高濃度氨氮廢水。目前對高濃度的氨氮廢水的處理方法主要有吹脫法、樹脂吸附法、化學沉淀法、生物法等。吹脫法具有工藝流程簡單、適應性強、操作簡單、去除效率穩定、運行費用較低等優點［1］，多用于中高濃度、大流量氨氮廢水的預處理?，F有吹脫裝置主要有吹脫池和吹脫塔，由于前者效率低，易受外界環境影響，因此多采用吹脫塔裝置。傳統的吹脫裝置吹脫出的氨可以回收利用，但有容易結垢、低溫時氨氮去除效率低、吹脫時間長、二次污染、出水氨氮濃度仍偏高等缺點［2］。因此明確影響吹脫法的關鍵因素，改進吹脫設備，提高氨氮去除率，對于氨氮處理成本控制、水污染得到控制、實現城市的可持續發展具有重要的意義［3］。本文對本課題組自主研發的新型吹脫設備——過飽和氨氮吹脫塔開展工程實踐的研究，為優化過飽和吹脫塔脫氮技術及設備的運行控制參數提出實踐數據依據，為該項技術的全面推廣提供更加可靠的工程實踐依據。

1 過飽和吹脫塔系統組成與特點

過飽和吹脫塔整合了吹脫與吸收兩個工藝，其處理工藝是一個閉路循環吹脫-吸收工藝，其系統組成如圖1所示。

圖1 氨氮吹脫-吸收工藝系統圖

該工藝有以下特點：（1）整個吹脫-吸收過程是在完全密閉的循環體系內進行，既防止了NH3的外溢造成空氣污染又可防止空氣中的CO2進入系統與廢水中的Ca2+形成CaCO3沉淀堵塞填料；（2）與常規單次過塔吹脫不同的是，系統采用的是循環吹脫-吸收流程。該流程包括三個循環，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；（3）采用循環吹脫使得常溫吹脫成為可能，節約了廢水加熱所需的運行成本，塔規模也可大大地縮小，節約基建投資；（4）吸收液的循環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行，吸收液中的氯化銨濃度逐漸上升并以結晶的形式沉于吸收池底。

2 過飽和吹脫塔的工程實踐研究

2.1 廢水水質特點

氨氮廢水主要來源于該廠三車間、四車間及六車間生產排放，日排放氨氮廢水水量為76 m3／d，經收集匯合后氨氮廢水濃度的波動范圍為3 800～20 000 mg／L；同時還包含少量重金屬離子。設計出水NH3-N濃度低于15 mg／L，設計出水水質執行《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級標準。

2.2 廢水處理工藝選擇

針對該鈹冶煉廠所產生的高濃度氨氮廢水水質、水量特點，再結合各氨氮廢水處理方法與工藝的優缺點及其適用性，本工程采用吹脫+吸附聯合工藝進行該氨氮廢水處理。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吹脫后的廢水進行深度脫氮，使出水氨氮濃度達標排放。其中初步脫氮工藝處理階段中，最核心的設備就是過飽和吹脫塔。

2.3 吹脫設備

氨氮吹脫設備采用過飽和吹脫塔，設計塔徑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試研究

工藝調試的目的重點在于通過對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機風量等因素的考察，確定吹脫的最佳動力學條件；并探索吹脫過程各影響因子對吹脫效率的影響。

2.4.1 氨氮廢水初始濃度的影響

控制運行條件為pH＝12.39，風機頻率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，其氨氮去除率隨時間的變化關系，結果如圖2所示。

圖2 不同初始廢水濃度下氨氮去除率隨時間變化

從圖2可以看出廢水初始濃度對氨氮去除率的變化影響不大，可以推測氨氮去除率在試驗條件下受一固定因素影響，即液相傳質系數。根據以上推測，對試驗數據進行擬合，可對不同初始氨氮濃度的廢水進行吹脫時間的預測，試驗結果如圖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，所需要的吹脫時間也越長；當氨氮廢水初始濃度為20 000 mg／L時，在一定的吹脫條件下吹脫至300 mg／L時預測所需的吹脫時間約9 h。

圖3 吹脫至300 mg／L時吹脫時間隨廢水起始氨氮濃度的變化

2.4.2 吹脫時間對氨氮去除率的影響

在表1給定的條件下連續運行，考察廢水濃度隨時間的變化，如圖4所示。

表1 廢水吹脫運行條件

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95%，經過9.5 h吹脫后濃度可降低至300 mg／L以下，與之前擬合曲線預測所需的吹脫時間約9 h基本吻合，從而證實擬合預測曲線的可靠性；（2）隨著吹脫時間的延長，單位時間內氨氮的吹脫率逐漸降低。

圖4 廢水氨氮濃度隨時間的變化

2.4.3 氣液比對氨氮去除率的影響

根據表2，通過對比第9、10批次的數據，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，得到的結果如圖5所示。

圖5 不同風機頻率對液相傳質系數的影響

表2 不同氣液比下的廢水吹脫運行條件

風機頻率的升高，即增大氣液比，促進了液相傳質過程的進行，有利于吹脫的進行，考慮到吹脫能耗的影響，結合氨氮初始廢水濃度的波動情況，風機頻率采用35～45 Hz較適宜。

2.4.4 廢水溫度對氨氮吹脫去除率的影響

根據表3，對比第8、第9批試驗數據，考察廢水吹脫溫度對吹脫傳質過程的影響，結果如圖6所示。

表3 不同廢水溫度下的運行條件

圖6 廢水溫度對液相傳質系數的影響

廢水溫度的升高，促進了液相傳質過程的進行，有利于吹脫的進行。

2.4.5 吹脫+吸附聯合工藝處理氨氮廢水的效果

將經吹脫預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，以便進一步考察氨氮廢水經吹脫與吸附聯合工藝處理后的廢水出水是否達到國家一級污水綜合排放標準，結果如圖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水速度（5.9 m／h）從樹脂交換柱頂部進入柱內，進行AMAR樹脂的吸附處理，當床體積數不超過6時，氨氮廢水的出水濃度低于15 mg／L，完全滿足GB8978-1996《污水綜合排放標準》一級排放標準要求，此時樹脂交換柱對氨氮廢水的去除率高達99%。

3 工藝運行成本分析

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，為此通過試驗及理論計算，對提高廢水氨氮濃度后的處理成本進行了估算。

表4 不同廢水濃度條件下廢水處理成本、產值、效益數據

由以上數據可知，隨著廢水濃度提高，硫酸銨產值迅速提高，當廢水濃度超過7 800 mg／L時，整個工藝開始獲得一定的經濟效益。

4 結 論

1.通過為期一年的試運行，過飽和吹脫塔具有運行穩定、氨氮處理效果好等特點，與樹脂吸附工藝聯合處理氨氮廢水，可使處理出水穩定低于15 mg／L的GB8978-1996氨氮一級排放標準，該處理工藝已通過合格驗收。

2.成本低廉，使用石灰代替片堿作為廢水pH調節劑，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制備石灰乳。

3.密閉氣相循環吹脫工藝無需蒸汽、電能加熱，并且以固態硫酸銨鹽形式100%回收氨氮資源，完全沖抵運行處理費用，不僅降低了廢水處理成本，甚至還能產生一定的經濟效益。

4.處理設備結構合理，控制自動化程度高，密閉氣相循環吹脫工藝避免了空氣中二氧化碳進入吹脫體系，不會產生碳酸鈣沉淀而使設備結垢。

［1］ 劉文龍，錢仁淵，包宗宏.吹脫法處理高濃度氨［J］.南京工業大學學報，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發展方向［J］.環境科學與技術，2008，31（2）：92-94.

［3］ 吳海忠.吹脫法處理高氨氮廢水關鍵因素研究進展［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。