高氨氮废水处理工艺

2022-08-12

随着国民经济及科技的发展,我国化学制造业、石油加工业以及半导体等行业规模得到快速发展,与此同时,氨氮废水的排放量也日益增加。氨氮为影响地表水环境质量的首要指标之一,大量氨氮废水排入水体,能够引起水体富营养化、导致水生动物死亡,不仅污染环境还会对人体产生毒害作用。因此,氨氮废水处理,尤其是高氨氮废水的处理在国内外都受到极大的关注。目前,对于氨氮废水处理主要有化学沉淀法、吹脱法、折点氯化法、离子交换法、生物处理法等技术。其中,吹脱法多用于处理中高浓度的氨氮废水,吹脱出的氨可有效回收利用,并且设备操作简单、处理效果稳定、运行费用低,在国内外得到广泛应用。

  一、废水来源与水质水量

  上海某集成电路研发中心,聚焦集成电路主流技术路线,致力于解决重大共性技术的研发及服务支撑问题,并为自主可控产业链建设提供公共的装备和材料验证平台。在企业研发试验过成中,产生一股高氨氮废水,废水量为6m3/d,具有高氨氮、高F-及高H2O2浓度等特点。设计进水水质及排放要求见表1。

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  二、工艺流程设计

  2.1工艺选择项目为该废水的预处理,主要去除废水内含有的氨氮,经取样分析,废水内氨氮主要以铵离子(NH+4)的形态存在,对于该类废水,常采用氨氮吹脱的处理工艺。然而,传统吹脱法具有能耗较高、容易造成二次污染、氨去除率低等缺点。为了解决以上问题,根据废水水质及相关工程经验,采用“二级吹脱+硫酸吸附冶处理工艺,工艺流程见图1。

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  2.2工艺原理

  吹脱法的基本原理是气液相平衡和传质速度理论,是以废水中氨气浓度与空气中物质的浓度差为推动力的一个传质过程。当pH为中性时,NH3-N主要以铵离子(NH+4)形式存在,并在水中保持平衡,当pH值为碱性,NH3-N主要以游离氨(NH3)状态存在。吹脱法即是将气体通入含氨氮的碱性废水中,在气液相互接触过程中,使水中溶解的游离氨从液相扩散转移至气相并随着气体流动被带走,从而达到去除氨氮的目的。

  相关研究表明,吹脱塔的吹脱效率与废水温度、pH、气液比有密切关系。随着pH、温度及气液比的增大,对氨氮的吹脱效率和吸收效率呈增长趋势,一般来说pH值要提高到10.8~11.5,水温不低50℃,水力负荷为2.5~5m3/m2•h,气水比为2500~5000范围,吹脱除氨效率可达90%以上。

  2.3工艺流程说明

  鉴于企业生产废水属于间歇性排放且水量较小,因此采用先收集再集中处理的方式,系统设计规模1m3/h,每天运行6h。

  废水由车间输送管道排入原水箱,由提升泵将废水打入pH调整槽,向其中投加NaOH,调节废水pH在10.5~11.5范围,之后进入中间水箱,再由提升泵将废水打入换热器,通过同热水热量交换,将废水温度提升至55℃后进入吹脱塔。

  为了提高氨氮的去除效率,采用二级吸附塔串联的设计,同时在塔内设置填料,以促进空气和水的充分接触。根据传质种类及性质的不同,分为废水路、气路及吸收液回路,其各运行模式如下:

  (1)水路:废水首先进入一级吹脱塔,再由提升泵将废水打入二级吹脱塔。在吹脱塔内,废水从塔的上部淋洒到填料上形成水滴并流向塔底,同时用风机从塔底吹入空气,使气水充分接触,游离氨从水中逸出被空气带走。进过处理的废水集中在二级吹脱塔底部,由排放水泵排入含氟废水处理系统。

  (2)气路:通过废水风机从二级吹脱塔底部向塔内送气,形成与废水的一次脱氨处理,含有氨的废气从二级吹脱塔顶部排出,从一级吹脱塔底部进入二级吹脱塔,再从顶部排出进入吸附塔,采用吸收液对废气内氨进行吸收,经过净化的气体由风机吸出,形成一个密闭循环系统,从而防止了NH3的外溢造成的二次污染。

  (3)吸收液采用pH在1~2的硫酸溶液,通过吸附塔循环将吸收液从吸附塔顶部输送至吸附塔,同从底部进入的含氨废气充分接触,从而吸附废气中的氨形成硫酸铵溶液。吸收液的循环过程是硫酸铵溶液的浓缩过程,当吸收液中的硫酸铵达到一定浓度后,将吸收液排入硫酸铵收集箱委外处理。

  三、主要设备参数

  (1)原水箱:1座,FRP材质,φ1600×1800(mm),有效池容:3m3,HRT:12h。配套提升泵2台,1用1备,Q=1.5m3/h、H=35m、N=0.46kW;超声波液位计1台;DN25电磁流量计1台。

  (2)pH调整槽及中间水槽:1座,FRP材质,φ1500×2300(mm),其中淤pH调整槽:有效池容1m3,HRT:1h,配套NaOH加药泵2台,1用1备,Q=0.5L/min,P=1MPa,N=0.37kW;搅拌机1台,R=150rpm、N=0.75kW;pH计一套。于中间水槽:有效池容2m3,HRT:2h,配套提升泵2台,1用1备,Q=1.5m3/h、H=35m、N=0.46kW;差压液位计1台;转子流量计1个。

  (3)板式换热器:1台,板片SUS316材质,换热面积0.98m2,加热范围15~55℃,配套压力变送器1套;比例调节阀1个。

  (4)一级吹脱塔:1座,FRP材质,φ800×H7300(mm),内装填鲍尔环填料3m3,配套提升泵2台,1用1备,Q=1.5m3/h、H=35m、N=0.46kW;压差液位计1台。

  (5)二级吹脱塔:1座,FRP材质,φ800×H7300(mm),内装填鲍尔环填料3m3,配套提升泵2台,1用1备,Q=1.5m3/h、H=35m、N=0.46kW;压差液位计1台;DN25电磁流量计1台;废气风机,1台,FRP材质,风量4000m3/hr,风压2500Pa,功率5.5kW;出水氨氮检测仪1套。

  (6)吸附塔:1座,FRP材质,φ800×H7300(mm),内装填鲍尔环填料1.5m3,配套提升泵2台,1用1备,Q=3m3/h、H=25m、N=1.5kW;pH计一套;压差液位计1台;硫酸加药泵,2台,1用1备,Q=0.85L/min,P=1MPa,N=0.37kW。

  (7)硫酸铵收集箱:1座,FRP材质,φ2100×H2900(mm),有效池容:10m3。配套提升泵2台,1用1备,Q=10m3/h、H=25m、N=2.2kW;超声波液位计1台。

  四、运行要点及效果

  该污水处理系统吹脱塔为2级串联,调试时,主要调节废水的pH、进水温度、气水比及硫酸铵浓度等指标,整个系统采用PLC控制,全自动运行,主要控制点如下:

  (1)在pH调整槽,通过pH计同NaOH加药泵联动,控制NaOH加药量,控制废水pH在11.5~11.8范围;

  (2)废水经过板式换热器,同热水源进行换热,通过温度变送器同比例调节阀联动,调节热水水量,从而控制废水温度在55℃;

  (3)吹脱塔内,控制气水比在1500~3000范围内;

  (4)在吸附塔,通过液位控制硫酸铵溶液的排放。运行时,先在吸附塔内补充自来水至中液位,同时投加H2SO4,使吸收液pH维持在1.5~2范围,随着吸收液吸收氨的量的增多,吸收液pH会升高,需继续补充H2SO4,当吸附塔底部吸收液达到高液位,开启自动排放阀,将吸收液排入硫酸铵收集箱。

  在管路设计时,为了保证出水效果,在氨氮检测仪前段及后端各增加自动阀,控制废水的排放与循环:当排放废水氨氮达标时排入含氟废水处理系统;当排放废水不达标时,将废水排入中间水池,循环处理。

  系统自2019年6月调试运行以来,运转稳定。运行时,实际废水氨氮浓度在450~600mg/L,经过吹脱处理,最终排放废水氨氮浓度在10以下,去除率达到97%以上,完全达到设计要求,同时产生15%硫酸铵废液约65L/d。

  五、效益分析

  该工程占地55.5m2,总投资199.7万元(不含土建费用),系统运行总费用280.8元/d(不含人工费及硫酸铵废液处理费用),其中药剂费173元/d,电费77.8元/d,折合吨水成本为46.8元/m3。

  六、结论

  实际运行结果表明,采用“二级吹脱+硫酸吸附冶工艺处理高氨氮废水是稳定可行的,运行中,原废水氨氮浓度450~600mg/L,经过吹脱处理,排放废水氨氮浓度在10mg/L以下,去除率达到97%以上。

  系统运行时,控制进入吹脱塔废水pH在11.5~11.8范围、进水温度55℃、气水比1500~3000范围,吹脱产生的氨用硫酸吸收,避免造成二次污染。

  采用PLC控制,整个系统全自动运行,无人值守,运行稳定高效,操作维护简单。


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