孔望欣，夏美芳，吳媛媛，黃 進，鐘 魁

（浙江醫(yī)藥股份有限公司昌海生物分公司，浙江紹興312000）

環(huán)境保護

超重力技術及其在氨氮廢水處理中的應用

孔望欣，夏美芳，吳媛媛，黃 進，鐘 魁

（浙江醫(yī)藥股份有限公司昌海生物分公司，浙江紹興312000）

超重力技術是強化“三傳一反”化工過程的新技術，將其應用在氨氮廢水處理過程，具有很大的應用前景。著重對超重力技術吹脫氨氮廢水的研究進展、工作原理、工藝流程及技術優(yōu)勢進行了介紹。

超重力技術；吹脫；氨氮廢水

自1983年英國ICI公司成功研制出高強度氣液傳質設備超重力機以來，人們對超重力技術進行了密切關注和深入的理論研究，并將其應用到了化工、材料制備、環(huán)境保護等領域中，取得了顯著的應用成果[1-6]。利用超重力的科學原理的應用技術稱為超重力技術[7-10]。它通過超重力機高速旋轉產(chǎn)生的強大離心力場代替重力場，達到了“三傳一反”化工過程的強化。

隨著工業(yè)發(fā)展，每年都有大量氨氮工業(yè)廢水產(chǎn)生。國家對含氨氮廢水的排放要求非常嚴格，含氨氮廢水難以處理，這對水資源和生態(tài)環(huán)境造成了極大危害[11-12]。利用超重力技術吹脫氨氮廢水是一項新型的去除氨氮的方法，與傳統(tǒng)處理方法如蒸汽吹脫法、空氣吹脫法、化學法等相比，該法具有傳質效率高、設備體積小、能耗量低等優(yōu)勢，目前已在山東加華公司、山東淄博稀土高科等多公司進行了工程化應用研究，雖然技術不成熟，但具有很大的應用前景。

1 工作原理

物體受到的比地球重力加速度g（≈9.8 m/s2）更大的力稱為超重力。當g接近0（失重）時，氣液、液液、液固相接觸時的動力因素Δρg（浮力因子）將趨于0，此時不再受密度差影響，分子間作用力（如表面張力）起主導作用，液相物質發(fā)生近球形團聚，相間接觸不再充分，相間傳遞作用逐漸變?nèi)?，分離無法進行。而隨著g增大（超重）時，Δρg變大，流體的相對速度增大，相間產(chǎn)生了巨大的切應力，將液相物質拉伸成微米、納米級別的液滴、液絲或液膜，大大增加了相間接觸面積，從而強化傳遞，通常相間傳質速率比傳統(tǒng)的塔設備高1~3個數(shù)量級[13]。設計和使用可高速旋轉的設備是最簡單的模擬超重力的方法。通常利用離心力進行復相分離、密度差分離，而超重力技術有所不同，核心在于對相間傳遞過程和微觀混合、反應過程的極大強化。

在氨氮廢水中存在以下平衡：

NH3與NH4+之間的轉換受到pH值、溫度、壓力等的影響。pH值為強堿性時，大量的OH-氛圍使得平衡向逆反性進行，體系中基本都為溶解性液態(tài)NH3；而溫度升高和壓力降低有利于廢水中NH3的逸出。

超重力技術應用到氨氮廢水吹脫過程，也就是指使用超重力設備取代傳統(tǒng)的填料塔作為吹脫設備，以空氣為氣提劑，通過大量空氣與堿性的氨氮廢水接觸，將水中的游離氨分子解吸到氣相的過程。

2 超重力設備

超重力設備也稱超重力機(High Gravity Rotary Device，Higee)或旋轉填料床(Rotating Packed Bed，RPB)。超重力設備按結構不同可分為立式、臥式；按轉子結構的不同可分為體旋轉式、雙動盤式、動靜結合式等[14]；按分離物系的要求和旋轉填料上填料層數(shù)不同，可分為單層填料和多層填料；按氣液接觸方式或操作方式不同可分為逆流、并流和錯流旋轉填料床[15~18]。

在吹脫氨氮廢水處理中，使用超重力設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塔設備，發(fā)生了兩大變化：①液相流動由重力環(huán)境變成了超重力環(huán)境；②設備由傳統(tǒng)的靜止狀態(tài)變?yōu)榱诵D運動狀態(tài)。超重力設備由固定的圓柱形殼體、轉子、填料和液體分布器等組成，其基本結構見圖1。

圖1 超重力設備結構示意圖Tab.1 Instruction chart of high gravity equipment structure

機器開動時，氣體在壓力梯度的影響下進入超重設備轉軸外腔，穿過填料。同時液體在泵的帶動下也流向轉軸，并通過噴頭均勻淋灑于轉軸內(nèi)側。隨著轉子高速旋轉液體向外甩出，在巨大剪切力和與填料碰撞作用下，逐漸變小形成極大的不斷更新的表面積，大大增加兩相之間的相界面積增大，伴隨著劇烈攪動速度、濃度、溫度邊界層等影響，達到了傳質與反應過程的強化。之后液體被轉子甩入外殼經(jīng)匯集從底部的液體出口流出，而氣體則經(jīng)過轉軸中心離開轉軸向上沖氣體出口排出。

3 超重力技術吹脫氨氮廢水的研究進展

國外對超重力技術研究最早，主要集中在ICI、DOW、DuPont、Norton等公司和Newcatstle、Washington等大學，目前專門對超重力技術吹脫氨氮廢水的研究報道較少。

國內(nèi)柳來栓等[19]用超重力法吹脫某銅洗車間的含氨量為1500~2000 mg/L的混合廢水，在溫度40℃，pH值為11.0，氣液體積流量比1200，轉速1200 r/min的條件下，得到了單程吹脫率高于85%的吹脫效果。焦緯洲等[20]對超重力技術處理某焦化廠氨氮廢水進行了中試研究，重點考察了氣液比轉速溫度值等對氨氮脫除率和氣相壓降的影響，試驗發(fā)現(xiàn)：在適宜的操作條件下單級氨氮脫除率可達75%，可滿足后序處理工藝的要求。王媛媛等[21]使用折流式旋轉填料床處理了含氨量為10366 mg/L的廢水，實驗發(fā)現(xiàn)：溫度為20℃，pH為10左右，氣體流量160 m3/h，液體流量60 L/h，轉速800 r/min時，吹脫率可達92%。

山西省超重力化工工程技術研究中心和北京化工大學教育部超重力工程研究中心在超重力技術的基礎和應用研究上處于國內(nèi)領先水平。前者分別在山西焦化集團有限公司、山東淄博稀土高科、山東加華公司等企業(yè)進行了高濃度氨氮廢水的吹脫中試試驗，得出將超重力技術用于氨氮廢水吹脫中，當溫度35℃~40℃，pH值10.5~ 11.0，氣液比為1200，超重力因子100時，可以獲得85%以上的單級吹脫率，效果顯著。后者對某合成氨廠的含氨（20000～30000 mg/L）廢水進行了超重力氣提中試試驗，成功將氨氮量降至可直接排放標準，并得到可利用的5%～20%的濃氨水。還與原中國天然氣總公司下屬大型合成氨企業(yè)聯(lián)合開發(fā)建立了一套超重力尿素水解工業(yè)側線，處理水量達到5 t/h，在溫度220℃～230℃，壓力2.4～2.6 MPa條件下，可將廢水中100 mg/L左右的尿素含量處理至5 mg/L以下，達到中壓鍋爐的用水要求。

目前超重力法吹脫氨氮技術的大規(guī)模工業(yè)應用較少，主要是因為該技術不夠成熟，特別是大型的結構，仍需要根據(jù)具體的物系進行合理設計和試驗。

4 超重力技術吹脫氨氮廢水的工藝流程

圖2列出了采用超重力技術吹脫氨氮廢水的工藝流程。氨氮廢水在調(diào)節(jié)池中通過加入堿和解氨劑，通過pH控制儀調(diào)節(jié)pH值至10.5～11.5，之后經(jīng)廢水泵注入到超重力機中，在高湍動、大的氣液接觸面積的情況下，與風機帶動進超重機的空氣進行充分接觸并產(chǎn)生霧化，將廢水中的游離氨吹脫出來。之后排出的廢水氨氮含量達標則直接排放，不達標則重新打入超重機中再次進行脫氨處理。通常經(jīng)此處理出來的氨氮廢水達到國家一級排放標準。而從超重機中排出的氣體通過超級氨回收器，可得到一定濃度的氨水，其余氣體通過除霧器，經(jīng)過除霧后直接排放。

圖2 超重力技術吹脫氨氮廢水工藝流程圖Tab.2 Process flow of using high gravity technology to blow off ammonia nitrogen wastewater

5 超重力技術吹脫氨氮廢水的技術優(yōu)勢

與工業(yè)上傳統(tǒng)僅使用塔設備的吹脫法相比，超重力法吹脫氨氮廢水具有以下幾點優(yōu)勢：①設備體積質量小、設備及基建費用少，過程放大容易，啟動、停車迅速，運行更穩(wěn)定；②擺脫了重力場的影響，對氣液變化不敏感，對物料粘度適應性廣，操作彈性大；③氣相動力消耗小、物料停留時間短、傳質系數(shù)大；④去除氨氮效率高，有利于氣相中氨的回收利用；⑤能夠增加水中的溶解氧，為可能的后續(xù)生化處理提供充足氧源。

6 結語

隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)中向河流湖泊中排放的有害氨氮廢水必須得到解決。超重力技術由于其傳質效率高、能耗低等優(yōu)點，在除氨氮廢水的應用中效果顯著，受到越來越多人的關注，目前在我公司也開始進行了中試試驗。雖然超重力除氨氮技術在基礎理論和應用方面取得了較大進展，但大規(guī)模工業(yè)化應用較少，隨著該項技術的不斷完善，預期其在不久的將來會被廣泛應用于氨氮廢水的回收及綜合利用，造福人類。

[1]劉繼勇,李芳芹,張曉峰.超重力技術及其在CO2捕集中的應用[J].能源與節(jié)能,2013,（10）：78-80.

[2]陳陽,隋志軍.超重力精餾技術[J].化工中間體,2013,（4）：24-27.

[3]趙曉曦,鄧先河,潘朝群,等.超重力技術及其在環(huán)保中的應用[J].化工環(huán)保,2002,22（3）：142-145.

[4]徐娟,陳建峰,鄒?？?等.超重力脫硫技術在硫酸工業(yè)中的應用[J].磷酸設計與粉體工程，2013,（1）：32-36.

[5]初廣文,羅勇,鄒?？?等.超重力反應強化技術在酸性氣體尾氣處理中的工業(yè)應用[J].化學反應工程與工藝，2013,29（3）：193-198.

[6]管益豪,黃衛(wèi)星,肖澤儀,等.超重力技術及其應用研究進展[J].化工機械,2005,32（1）：55-59.

[7]Trevour K.James R F.Distillation studies in a highgravity contactor[J].Ind.Eng.Chem.Res,1996,(12):4646 -4655.

[8]陳建峰.超重力技術及應用：新一代反應與分離技術[M].北京：化學工業(yè)出版社,2002.

[9]張振翀,栗秀萍,劉有智.兩級分離式超重力精餾實驗研究[J].現(xiàn)代化工,2010,30（4）：79-82.

[10]劉有智.超重力化工過程與技術[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009.

[11]梁曉賢,劉有志,焦偉洲等.超重力技術在工業(yè)廢水處理中的應用進展[J].造紙科學與技術,2013,32（1）：95-98.

[12]陳艷卿.中國廢水排放氨氮控制標準評述[J].環(huán)境科學與管理,2011,36（3）.

[13]楊致芬,郭春絨.超重力技術研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學, 2008,36（20）：8432-8435.

[14]桑樂,羅勇,初廣文,等.超重力場內(nèi)氣液傳質強化研究進展[J].化工學報,2015,66（1）.

[15]Sun B C,Wan X M,Chen J M,et al.Simultaneous absorption of CO2and NH3in a rotating packed bed[J].Ind. Eng.Chem.Res.,2009,48(24):11175-11180.

[16]Li Z H,Guo K,Yan W M,et al.The comparison of the gas pressure drop under counter-current and co-current on a rotating packed bed[J].J B UNIV TECHNOL,2001,28(1):1-5. [17]Lin C C,Chen B C,Chen Y S,et al.Feasibility of a crossflow rotating packed bed in removing carbon dioxide from gaseous streams[J].Sep.Purif.Technol.,2008,62(3): 507-512.

[18]Liu H S,Lin C C,Wu S C,et al.Characteristics of a rotat ing packed bed[J].Ind.Eng.Chem.Res.,1996,35(10): 3590-3596.

[19]柳來栓,謝國勇,劉有智.旋轉填料床處理含氨廢水實驗研究[J].華北工學院學報,2002,23（3）：144-147.

[20]焦緯洲,劉有智,劉建偉，等.超重力旋轉床處理焦化氨氮廢水中試研究[J].現(xiàn)代化工,2005,25（zl）：257-259.

[21]王媛媛,李素芳,余剛,等.用折流式旋轉填料床處理含氨廢水[J].化工環(huán)保,2007,27（1）：50-54.

Super Gravity Technology and Its Application in the Treatment of Ammonia Nitrogen Wastewater

KONG Wang-xin，XIA Mei-fang，WU Yuan-yuan，HUANG Jin，ZHONG Kui
(Changhai Biological Company,Zhejiang Medicine Co.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang 312000,China)

High gravity technology is a new technology can strengthen chemical process of"three transmits and one reaction”,and it is of great application prospect in the treatment process of ammonia nitrogen wastewater.This paper focuses on introducing research progress,working principle,process flow and technological advantage of high gravity technology blowing off ammonia nitrogen wastewater.

super gravity technology;blow off;ammonia nitrogen wastewater

1006-4184（2015）8-0040-04

2015-06-25

孔望欣（1974-），男，本科，助理工程師，主要從事VE產(chǎn)品生產(chǎn)及后續(xù)三廢問題處理的研究。E-mail：761672925@qq.com。