李笑原,王光華,李文兵,龔凡杰,劉 奇,劉鐵軍,楊書琴

(1.武漢科技大學(xué)煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081;2.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢,430081)

焦化廢水產(chǎn)生于煉焦制氣、煤氣凈化、化產(chǎn)回收加工等工序,其排放量大,水質(zhì)成分復(fù)雜,并含有大量氨氮及多種致癌物質(zhì)且難以生物降解。焦化廢水治理的主要方法有生物法、折點(diǎn)氯化法、離子交換法、化學(xué)沉淀法等[1],而國(guó)內(nèi)焦化行業(yè)多采用生物法。生物法處理高濃度氨氮廢水時(shí),微生物的反硝化作用受抑制,處理效果不佳,很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放[2-4]。解吸法[5]是一種較為經(jīng)濟(jì)有效的氨氮處理方法,其流程簡(jiǎn)單,操作管理方便,處理效果穩(wěn)定。本文在前期研究的基礎(chǔ)上開展小型工業(yè)化試驗(yàn),以期得出煤氣流解吸焦化廢水中氨氮的較優(yōu)工藝條件。

1 煤氣流解吸氨氮的原理

煤氣流解吸法是以循環(huán)煤氣為氨氮載體,將焦化廢水中的氨氮轉(zhuǎn)入硫氨工段進(jìn)行固氨。因此,該法在有效處理焦化廢水的同時(shí)不會(huì)影響煤氣的質(zhì)量。

氨氮中游離氨NH3的摩爾分?jǐn)?shù)x與廢水pH值的關(guān)系為[8]:

由式(1)可知,當(dāng)廢水堿性增強(qiáng)時(shí),化學(xué)平衡右移,游離氨的含量隨之增大。另外,根據(jù)式(2)計(jì)算可知,當(dāng)廢水pH值大于11時(shí),游離氨的摩爾分?jǐn)?shù)x可達(dá)98%以上。此時(shí),讓貧氨煤氣與焦化廢水相接觸,在氣液兩相氨分壓差這個(gè)傳質(zhì)推動(dòng)力的作用下,廢水中的游離氨不斷從液相轉(zhuǎn)移至氣相,并被煤氣帶出解吸體系,從而降低廢水氨氮濃度[5]。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及工藝流程

試驗(yàn)廢水來自某焦化公司三回收車間,其氨氮濃度為3 500～4 000 mg/L。根據(jù)工藝及設(shè)備選型要求,建成廢水處理量為2 m3/h的試驗(yàn)裝置,如圖1所示。

煤氣流解吸廢氨水中氨氮的工藝流程為:從終冷塔后抽取部分貧氨煤氣作為氨氮循環(huán)解吸氣,經(jīng)煤氣調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)鼓入煤氣總管后,分送至3根等徑支管,從煤氣解吸器底部的解吸盤經(jīng)過計(jì)量鼓入解吸器;焦化廢水經(jīng)堿調(diào)pH值后,由高位槽流入解吸器內(nèi);煤氣和焦化廢水在解吸器內(nèi)充分接觸傳質(zhì)后,吸收了氨氮的富氨煤氣上升至解吸器頂部,經(jīng)水冷后從頂部管道送至焦?fàn)t煤氣初冷工段鼓風(fēng)機(jī)前的煤氣總管,解吸后的低氨氮廢水送往生化工段進(jìn)行深度脫氨處理后排放或回用。

為了提高氨氮的解吸速率,焦化廢水必須保持適當(dāng)?shù)臏囟取榇?以高溫水蒸氣為熱媒,由盤管自解吸器上部通入,從解吸器底部采出。整套試驗(yàn)裝置配備有酸度計(jì)、熱敏電偶、蒸汽自動(dòng)調(diào)節(jié)閥等儀器,通過數(shù)控柜可對(duì)試驗(yàn)參數(shù)如廢水溫度、廢水pH值、液位等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程可視化。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

2.2 試驗(yàn)方法

焦化廢水進(jìn)入高位槽后,加入適量的堿和解吸助劑進(jìn)行攪拌溶解。利用蒸汽保溫夾套、熱敏電偶和變送器調(diào)控解吸器內(nèi)廢水的溫度。采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制煤氣的流量。解吸一定時(shí)間后,取樣并按GB7478—87測(cè)定出水的氨氮含量。

采用L16(45)正交表安排試驗(yàn)方案,根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素修正試驗(yàn),以獲得較優(yōu)工藝條件?？紤]到工業(yè)要求及現(xiàn)場(chǎng)條件,選取廢水溫度T、廢水停留時(shí)間τ、廢水pH值、氣液體積比n、解吸助劑投加量ρ等5個(gè)因素,各取4個(gè)較優(yōu)水平做正交試驗(yàn),以氨氮脫除率為處理效果指標(biāo)。

3 結(jié)果與討論

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出,氨氮脫除率最高可達(dá)93.80%。由極差分析可知,對(duì)于本試驗(yàn),各因素對(duì)氨氮脫除率影響的主次順序?yàn)?廢水溫度>氣液體積比>解吸助劑投加量>廢水pH值>廢水停留時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果與廢水pH值是影響氨氮脫除率首要原因的主流觀點(diǎn)有所出入。這是因?yàn)楦鶕?jù)前期研究結(jié)果,已得出了2 m3/h處理量時(shí)焦化廢水的適宜pH值范圍。在進(jìn)行本試驗(yàn)時(shí),焦化廢水pH值取在最佳值附近,故導(dǎo)致其對(duì)氨氮脫除率影響不大。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Orthogonal experimental results

3.2 各因素對(duì)焦化廢水氨氮脫除率的影響

3.2.1 廢水溫度

在廢水停留時(shí)間為120 m in、廢水pH值為10.4、氣液體積比為850、解吸助劑投加量為20 mg/L的條件下,廢水溫度對(duì)其氨氮脫除率的影響如圖2所示。

由圖2可見,當(dāng)廢水溫度低于80℃時(shí),隨著溫度的升高,焦化廢水的氨氮脫除率上升較快。當(dāng)廢水溫度為90℃時(shí),氨氮脫除率達(dá)到最大值94.79%,處理后焦化廢水中剩余氨氮含量為195 mg/L。當(dāng)廢水溫度高于90℃,氨氮脫除率有所下降,這是因?yàn)榇藭r(shí)煤氣帶走的水分增加,造成解吸后焦化廢水濃縮,出水氨氮濃度偏大。

圖2 廢水溫度對(duì)氨氮脫除率的影響Fig.2 Effect of wastewater temperature on NH3-N removal rate

3.2.2 氣液體積比

在廢水溫度為90℃、廢水停留時(shí)間為120 m in、廢水pH值為10.4、解吸助劑投加量為20 mg/L的條件下,氣液體積比對(duì)焦化廢水氨氮脫除率的影響如圖3所示。

圖3 氣液體積比對(duì)氨氮脫除率的影響Fig.3 Effect of gas-liquid volume ratio on NH3-N removal rate

由圖3可見,隨著氣液體積比的增大,焦化廢水的氨氮脫除率逐漸升高,氣液體積比為850時(shí),氨氮脫除率最高,但繼續(xù)增大氣液體積比,氨氮脫除率反而略有下降。這可能是由于較小的氣液體積比可以增加液體的湍動(dòng)程度,有利于傳質(zhì)。但當(dāng)氣液體積比增大到一定程度后,被煤氣帶走的水分增多,造成焦化廢水解吸后濃縮。

3.2.3 解吸助劑投加量

在廢水溫度為90℃、廢水停留時(shí)間為120 min、廢水pH值為10.4、氣液體積比為850的條件下,解吸助劑投加量對(duì)焦化廢水氨氮脫除率的影響如圖4所示。

由圖4可見,加入解吸助劑后,焦化廢水的氨氮脫除率明顯提高,但當(dāng)廢水中解吸助劑含量達(dá)到一定值時(shí),氨氮脫除率趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榧尤肷倭康慕馕鷦┛山档鸵后w的表面張力,增加氣液接觸面積,進(jìn)而提高氨氮脫除率。但當(dāng)解吸助劑含量達(dá)到其臨界膠束濃度后,溶液的表面張力不再降低,過量的解吸助劑開始形成大量膠團(tuán),對(duì)氨氮脫除率影響甚微[9]。

圖4 解吸助劑投加量對(duì)氨氮脫除率的影響Fig.4 Effect of dose of desorption additive on NH3-N removal rate

3.2.4 廢水pH值

在廢水溫度為90℃、廢水停留時(shí)間為120 min、解吸助劑投加量為20 m g/L、氣液體積比為850的條件下,廢水pH值對(duì)其氨氮脫除率的影響如圖5所示。

圖5 廢水pH值對(duì)氨氮脫除率的影響Fig.5 Effect of wastewater pH value on NH3-N removal rate

由圖5可見,廢水pH值小于10.4時(shí),氨氮脫除率隨著廢水pH值的增大而提高。當(dāng)廢水pH值大于10.4時(shí),大部分NH+4已經(jīng)轉(zhuǎn)化為NH3,繼續(xù)提高pH值對(duì)游離氨的濃度影響不大,氨氮脫除率的變化僅在工業(yè)試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)波動(dòng),這一變化趨勢(shì)與式(2)的計(jì)算結(jié)果基本一致?？紤]到氨氮脫除成本,廢水pH值以10.4為宜。

3.2.5 廢水停留時(shí)間

在溫度為90℃、廢水pH值為10.4、氣液體積比為850、解吸助劑投加量為20 mg/L的條件下,廢水停留時(shí)間對(duì)其氨氮脫除率的影響如圖6所示。

圖6 廢水停留時(shí)間對(duì)氨氮脫除率的影響Fig.6 Effect of residence time of wastewater on NH3-N removal rate

由圖6可見,焦化廢水的氨氮脫除率隨廢水停留時(shí)間的延長(zhǎng)而升高,但廢水停留時(shí)間超過120 m in后,氨氮脫除率增長(zhǎng)趨緩。這是因?yàn)閺U水停留時(shí)間達(dá)到120 min時(shí),氨氮濃度在氣液兩相中接近平衡,繼續(xù)延長(zhǎng)廢水停留時(shí)間,并不會(huì)大幅度提高氨氮脫除率。兼顧生產(chǎn)成本和效率,廢水停留時(shí)間選擇120 min為宜。

4 結(jié)論

(1)在本試驗(yàn)條件下,各因素對(duì)焦化廢水氨氮脫除率影響的主次順序?yàn)?廢水溫度>氣液體積比>解吸助劑投加量>廢水pH值>廢水停留時(shí)間。

(2)煤氣流解吸焦化廢水中氨氮的較優(yōu)工藝條件是:廢水溫度為90℃、氣液體積比為850、解吸助劑投加量為20 mg/L、廢水pH值為10.4、廢水停留時(shí)間為1 20min,此時(shí)焦化廢水氨氮脫除率達(dá)94.79%,剩余氨氮含量為195 m g/L,完全滿足生化進(jìn)水要求。

[1] 賀建忠,郝志強(qiáng).焦化廢水處理工藝及運(yùn)行效果[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2007,17(21):172-174.

[2] 李瑞華,韋朝海,吳超飛,等.吹脫法預(yù)處理焦化廢水中氨氮的條件試驗(yàn)與工程應(yīng)用[J].環(huán)境工程,2007,25(3):38-40.

[3] 趙慶良,李湘中.垃圾滲濾液中的氨氮對(duì)微生物活性的抑制作用[J].環(huán)境污染治理與防治,1998,20(6):1-4.

[4] Ozturk I,Alibis M,Keyence I,et al.Advanced physico-chemical treatment experience on young municipal landfill lichgates[J].Waste Management,2003,23:441-446.

[5] Hussain S,Aziz H A,Isa M H,et al.Physicochemical method for ammonia removal from synthetic waster water using limestone and GAC in batch and column studies[J].Bioresource Technology,2006,98:874-880.

[6] 孫華,申哲民.氨氮法去除氨氮的模型研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,32(8):84-87.

[7] Heggemann M H,Warnecke H J,Viljoen H J.Removal of ammonia from aqueous system s in a semibatch reactor[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2001,40:3 361-3 368.

[8] Patoczka J,Wilson D J.Kinetics of the deso rp tion of ammonia from water by diffused aeration[J].Separation Science and Technology,1984,19(1):77-93.

[9] 李敏.吹脫助劑在煤氣吹脫解吸含氨廢水中的應(yīng)用研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2009.