張 攀

(中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引 言

石灰石-石膏濕法是我國電廠尾氣脫硫的主要處理工藝，而脫硫塔定期排出的廢水中含有懸浮物、微量重金屬、亞硫酸鹽、氨氮等污染物。隨著尾氣中氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，一些項目的SNCR或SCR脫硝系統(tǒng)中投入了過量的氨水。過量的氨水在煙道內(nèi)蒸發(fā)轉(zhuǎn)化成氨氣，與氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)，提高了脫硝效率。同時，未完全反應(yīng)的過量氨氣隨空氣進(jìn)入下游的脫硫塔，經(jīng)過漿液噴淋后，融入脫硫塔漿液中再進(jìn)入脫硫廢水，造成脫硫廢水中的氨氮濃度嚴(yán)重超標(biāo)。目前，國內(nèi)的脫硫廢水處理工藝分為傳統(tǒng)的中和絮凝沉淀工藝和深度處理工藝[1-4]，如膜濃縮后蒸發(fā)結(jié)晶、煙道噴霧干燥。傳統(tǒng)的脫硫廢水處理系統(tǒng)采用中和絮凝沉淀工藝，并未考慮對氨氮的去除。若采用膜濃縮蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，高濃度的氨氮嚴(yán)重影響反滲透膜的正常運行，增加了反滲透裝置的投資及運行成本。同時，采用蒸發(fā)結(jié)晶工藝時蒸發(fā)裝置的投資及運行成本高，蒸發(fā)結(jié)晶裝置易結(jié)垢、腐蝕。若采用煙道噴霧干燥，揮發(fā)出的氨氣又回到了廢氣中，在脫硫系統(tǒng)中循環(huán)。

1 某熱電廠脫硫廢水高氨氮處理系統(tǒng)

1.1 工程概況

浙江嘉興某熱電有限公司采用石灰石-石膏濕法脫硫、SNCR+SCR聯(lián)合脫硝。旋風(fēng)筒入口煙氣溫度約為650 ℃，由于煙氣溫度低于脫硝反應(yīng)需要的溫度，造成脫硝效率偏低，故通過提高氨水的噴射量(150～200 L/h)來提高脫硝效率。過量的氨水在煙道內(nèi)蒸發(fā)轉(zhuǎn)化成氨氣，與氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)，提高了脫硝效率，未完全反應(yīng)的過量氨氣隨煙氣進(jìn)入下游的脫硫塔。經(jīng)過漿液噴淋后，融入脫硫塔漿液中，造成脫硫塔漿液中氨氮的濃度達(dá)到了1 400～1 500 mg/L。廠區(qū)建有傳統(tǒng)的脫硫廢水中和絮凝沉淀處理系統(tǒng)，但無法去除廢水中的氨氮，氨氮濃度需要降低到200 mg/L以下才能排入工業(yè)園區(qū)的廢水處理廠。

該公司脫硫廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)詳見表1，出水污染物指標(biāo)滿足《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標(biāo)》(DL/T 997—2006)及工業(yè)園區(qū)廢水處理廠對脫硫廢水出水的接收要求。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

進(jìn)水氨氮、懸浮物濃度高，呈弱酸性，氯離子濃度高。綜合比較生化法、折點氯化法、離子交換法等工藝，因廢水中缺少微生物生長的碳源，無機鹽分高，故采用生化法運行困難。折點氯化法和離子交換法需要消耗大量的次氯酸鈉和吸附材料，運行成本很高。因此，考慮在原有脫硫廢水處理系統(tǒng)上進(jìn)行改造，加裝一套吹脫-吸附氨氮處理裝置，作為脫硫廢水處理系統(tǒng)中的一部分，與原有廢水系統(tǒng)串聯(lián)使用，使得原有脫硫廢水裝置具有了脫除氨氮的功能。

1.2 工藝流程及技術(shù)特點

原有脫硫廢水處理系統(tǒng)采用的是中和絮凝沉淀工藝，建設(shè)有廢水緩沖罐、三聯(lián)箱、濃縮澄清池、清水罐。改造后在濃縮澄清池后端、清水罐前端加裝一套吹脫-吸附氨氮處理裝置。高濃度的氨氮廢水經(jīng)過廢水收集罐后進(jìn)入三聯(lián)箱，通過加堿將pH值調(diào)整至10～11，使廢水中的氨氮能夠更好地游離。在三聯(lián)箱內(nèi)加入絮凝劑和助凝劑，使得廢水中的懸浮物形成絮凝物，在下游沉淀池內(nèi)沉淀。上層清液溢流進(jìn)入循環(huán)罐，在循環(huán)罐內(nèi)與蒸汽進(jìn)行熱交換，溫度加熱到35～45 ℃。隨后進(jìn)入1#吹脫塔內(nèi)的噴淋系統(tǒng)，噴淋出來的液滴與從吸附塔出來的循環(huán)空氣進(jìn)行第一次吹脫。經(jīng)過一次吹脫后的廢水輸送至2#吹脫塔內(nèi)的噴淋系統(tǒng)，噴淋出來的液滴與從吸附塔出來的循環(huán)空氣進(jìn)行第二次吹脫。吹脫后的廢水進(jìn)入二級沉淀池，隨后溢流清液流入清水罐。處理后的廢水被送入后續(xù)其他的處理系統(tǒng)進(jìn)一步處理，確保最終水質(zhì)滿足相應(yīng)的排放要求。整個系統(tǒng)占地約10 m×15 m。改造后處理工藝流程詳見圖1。

圖1 改造后廢水處理工藝流程圖Fig.1 Process flow of wastewater treatment after transformation

因廢水中氨氮濃度很高，本裝置設(shè)置了兩級吹脫塔，可以取得更好的氨氮處理效果。在循環(huán)罐中，把水蒸氣通入廢水中，提高廢水的溫度至40～50 ℃。再通過高壓噴嘴霧化噴淋，在吹脫塔內(nèi)逆向與循環(huán)空氣接觸。廢水中的氨氮被吹脫出來，再以氨氣的形式被循環(huán)空氣帶走。系統(tǒng)的特點為：采用二級吹脫塔，更適合高氨氮廢水的處理；吹脫—吸附氨氮處理裝置在單個吹脫塔內(nèi)的停留時間為5～8 min；相對于開放的氨氮吹脫系統(tǒng)，氨氣將在三個塔內(nèi)循環(huán)，廢氣不會排入環(huán)境造成二次污染；氨氣吸附在除鹽水中，可輸送至廠區(qū)的脫硝除鹽水罐，吸附的氨氣得到了回收利用；兩級吹脫塔采用旋流板塔，避免了填料塔的結(jié)垢堵塞；噴嘴采用大通徑噴嘴，具有防止堵塞的特點。

1.3 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)

項目的設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)有塔直徑、氣液比等，詳細(xì)設(shè)計參數(shù)見表2所示。

表2 設(shè)計基本參數(shù)

在設(shè)備選型的關(guān)鍵參數(shù)中，吹脫塔塔徑的選取非常重要，影響到工程的造價和處理效果。塔徑選擇偏小會提高空氣流速，造成空氣停留時間短、除霧器除霧效果差，空氣流速低時塔的直徑大、造價高。綜合考慮后，吹脫塔和吸附塔的直徑取1.5 m。其次是液氣比的選取，氣液比過高會增加風(fēng)機的風(fēng)量進(jìn)而增加項目造價，也會消耗更多的熱能，液氣比小會影響氨氮的脫除效果，故本項目取氣液比為3 000∶1。然后是吹脫塔的選型，常見的吹脫塔有填料塔、旋流塔、文丘里管塔等。本項目吹脫塔選用旋流塔，不設(shè)填料，避免了填料層的結(jié)垢、堵塞。吸附塔除鹽水噴淋吸收氨氣，選用了吸附效率更高的填料塔。另外，本項目噴嘴采用的SMP實心錐噴嘴，具有通徑大、不易堵塞的特點，設(shè)計的雙層噴淋提高了噴淋的覆蓋率。

在運行參數(shù)的設(shè)計方面，主要的參數(shù)為pH、水溫等。周明羅等[11]研究表明吹脫效率隨pH值的升高而增大，氣液比越大，氨吹脫傳質(zhì)動力也越大，其吹脫效率也越大。綜合工藝要求及防止水垢生成，故廢水pH值控制在10～11。此外，溫度也會影響氨離子和游離氨的平衡，溫度升高有利于氨氣的析出。但過高的溫度，消耗更高的蒸汽且塔內(nèi)結(jié)垢情況嚴(yán)重，因此，通過蒸汽調(diào)節(jié)閥水溫控制在35～45 ℃。

2 運行效果及成本分析

2.1 運行效果

該工程于2019年10月完成調(diào)試，然后進(jìn)行了7天總共168小時的試運行，測量的主要參數(shù)為廢水日累計處理量(取自廢水提升泵出口流量計)、出水氨氮濃度。日累計流量為80～110 m3/d，平均日處理量為95.8 m3/d，達(dá)到了設(shè)計的處理量要求。試運行期間氨氮去除效果詳見圖2所示。

注：①取廢水緩沖罐水樣作為入口水樣，2#吹脫塔出口水樣作為出水水樣；②每天上午下午各人工測量兩次出水氨氮數(shù)據(jù)圖2 試運行期間氨氮去除效果Fig.2 Removal efficiency of ammonia nitrogen during trial operation

由圖2可知，試運行七天的出口氨氮濃度均低于排放要求的200 mg/L。第一天初始的氨氮濃度為1 506.2 mg/L，出水氨氮的濃度最高，最高一次測量達(dá)到了150.4 mg/L，氨氮去除效率為90%。第六天、第七天出水氨氮的濃度最低，為40.3～50.4 mg/L，出水氨氮濃度降低是因為原始氨氮濃度的降低。隨著廢水系統(tǒng)的運行，脫硫塔里的高氨氮廢水逐漸排出，工藝水不斷補進(jìn)，脫硫塔內(nèi)的漿液氨氮濃度也呈下降趨勢。在運行到第四天時，脫硫塔內(nèi)的氨氮濃度降到了1 305.4 mg/L，此時的氨氮出口濃度為45.2 mg/L，氨氮去除效率為96.54%。在運行到第七天時，脫硫塔內(nèi)的氨氮濃度降到了802.7 mg/L，此時的氨氮出口濃度為50.1 mg/L，氨氮去除效率為93.75%。在七天試運行期間，入口水樣的氨氮濃度為1 506.2～802.7 mg/L，處理后出水氨氮濃度為40.3～150.4 mg/L，氨氮的脫除效率為90%～96.54%。結(jié)果表明，采用二級吹脫塔處理高氨氮脫硫廢水，脫除效率達(dá)到90%以上，出水指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于工業(yè)園區(qū)廢水處理廠對脫硫廢水出水氨氮濃度200 mg/L以下的指標(biāo)要求。

此外，對吹脫塔壁和底部進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)大塊的硬垢產(chǎn)生，但出水中含有大量的細(xì)小白色沉淀物，是因為廢水中的鈣鹽、鎂鹽在加熱堿性條件下生成了Ca(OH)2、Mg(OH)2等沉淀，懸浮在廢水中。這些沉淀通過吹脫塔后設(shè)置的二級沉淀池和精密過濾器被去除。選用的SMP噴嘴，未發(fā)現(xiàn)噴嘴堵塞，但碳化硅材質(zhì)的噴嘴出現(xiàn)了破損，使得出水氨氮濃度在短時間內(nèi)出現(xiàn)了增高，替換備用噴嘴后恢復(fù)正常。吸附氨氣后的除鹽水，通過噴淋泵連續(xù)輸送至脫硝除鹽水箱回收利用。

2.2 成本分析

試運行階段共運行七天，七天內(nèi)噸水處理費用詳見表3。

表3 試運行期間噸水處理費用

藥劑主要包括液堿、PAC、PAM，藥劑費用為6.95元/t，電費為5.65元/t，蒸汽費用為5.19元/t，人工費4.15元/t。同時，吹脫-吸附聯(lián)合工藝將脫附的氨氣重新吸附到除鹽水中，使得氨氣得到了利用，產(chǎn)生了一部分經(jīng)濟利益。七天回收約氨水共145 t，產(chǎn)生經(jīng)濟效益為4.15元/t?？傔\行費用減去氨水收益，得到處理每立方米脫硫廢水的總費用為14.84元。

3 結(jié) 論

(1)在嘉興某熱電廠已有的廢水處理設(shè)備基礎(chǔ)上，于濃縮澄清池和清水罐之間加裝一套配有兩級吹脫塔的吹脫-吸附氨氮處理裝置，該系統(tǒng)具有了脫除氨氮的功能。

(2)投運后的試運行結(jié)果表明：濃度為1 506.2 mg/L的高氨氮脫硫廢水，經(jīng)過廢水處理系統(tǒng)及新增的吹脫-吸附氨氮處理裝置后，出水氨氮濃度為40.3～150.4 mg/L，出水氨氮指標(biāo)滿足《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質(zhì)控制指標(biāo)》(DL/T 997—2006)及出水接收單位對廢水的氨氮濃度的要求。

(3)廢水中脫除的氨氮吸附在除鹽水中被脫硝系統(tǒng)回收利用，每噸廢水處理費用由18.99元降低到14.84元。