氨氣吹脫塔是污水處理方法研究

馮光銀 張玉婷

【摘 要】氨氣吹脫塔是污水處理過程中的一個(gè)重要設(shè)備，可以有效降低污水中的氨氮濃度，它的運(yùn)行好壞直接影響到最終出水是否可以達(dá)標(biāo)排放。要保證氨氣吹脫塔高效穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對氨氣吹脫過程優(yōu)化控制。由于氨氣吹脫過程具有非線性、大滯后、慢時(shí)變的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中難以對出水氨氮濃度進(jìn)行在線測量。

【關(guān)鍵詞】氨氣吹脫；濃度；污水

污水處理過程是一類運(yùn)行工況范圍廣的復(fù)雜工業(yè)過程，外部環(huán)境的改變對污水處理的影響很大，例如在同樣的工藝下，由于季節(jié)不同，導(dǎo)致污水溫度產(chǎn)生較大的波動，不同時(shí)間段的進(jìn)水量和進(jìn)水水質(zhì)也會有很大的變化，在這種非線性、工況范圍廣、反應(yīng)機(jī)理又比較復(fù)雜的情況下，常用的建模方法會導(dǎo)致模型在運(yùn)行一段時(shí)間之后出現(xiàn)較大的誤差，表現(xiàn)出自適應(yīng)能力差等問題[1]。

氨氣吹脫方法[2]在污水處理中的應(yīng)用越來越多，一般作為高氨氮廢水的預(yù)處理。氨氣吹脫塔作為處理高濃度氨氮污水的一個(gè)重要設(shè)備，它的運(yùn)行好壞直接影響到最終出水是否可以達(dá)標(biāo)排放，因此對氨氣吹脫工藝進(jìn)行深入研究，并利用軟測量技術(shù)對氨氣吹脫塔出水氨氮濃度建立相應(yīng)的軟測量模型。

1 氨氣吹脫工藝原理及流程

1.1氨氣吹脫工藝原理

利用氨氣吹脫方法可以高效率去除污水中的氨氮，其基本原理是利用以下化學(xué)方程式[1].

NH3+H2O=NH4+OH-（1）

從式（1）中可以看到在污水中的氨氮主要以兩種形式存在：NH 4和NH3，由于NH：是具有揮發(fā)性的氣體，因此當(dāng)pH值升高時(shí)，污水中OH-離子濃度增加，平衡過程向左移動，此時(shí)NH：所占的比例增大，利用空氣進(jìn)行吹脫，便可以將NH：從污水中去除。

1.2氨氣吹脫工藝流程

一般利用石灰乳提高污水的pH值，當(dāng)原水pH較低時(shí)，也會利用液堿進(jìn)行更快速的pH調(diào)節(jié)，污水在輔流池經(jīng)過沉淀，底部污泥進(jìn)入石灰回收裝置，可以多次循環(huán)利用以降低生產(chǎn)成本，輔流池中的上清液進(jìn)入氨氣吹脫塔進(jìn)行高效的氨氣吹脫[3]。

氨氣吹脫塔的主要特點(diǎn)是在塔內(nèi)裝有一定高度和數(shù)量的塔板，塔板上裝有蒸汽預(yù)熱管和空氣曝氣管，污水在經(jīng)過了前期pH調(diào)節(jié)、污泥沉淀等處理后，通過進(jìn)水流量泵進(jìn)入氨氣吹脫塔，并從上至下依次順流通過各塔板，空氣由鼓風(fēng)機(jī)從塔底送入，呈連續(xù)由下向上的與廢水逆流接觸。吹脫后的空氣通過管道排向下一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行再一步氨氣回收處理，防止直接排向大氣而對環(huán)境造成污染。經(jīng)過吹脫后的污水從塔底排出，流向下一工序，進(jìn)行更深度的處理[4]。從圖2中可以看到，氨氣吹脫塔（C-001）為一個(gè)獨(dú)立的容器，共有4層。（E-001）為吹脫塔進(jìn)水泵，通過進(jìn)水閥門（D-001）的調(diào)節(jié)來控制吹脫塔的進(jìn)水流量，可以通過流量計(jì)（F-001）讀取到實(shí)時(shí)的進(jìn)水流量數(shù)據(jù)。污水從塔的上部噴灑到最上層塔板，并從上向下依次流過各塔板，這樣可以讓污水在塔內(nèi)的停留時(shí)間達(dá)到最大化，吹脫塔內(nèi)污水的pH值可以通過pH顯示表（F-003）進(jìn)行讀取。

蒸汽發(fā)生器（E-002）通過對塔內(nèi)的每一層塔板進(jìn)行蒸汽預(yù)熱，使塔內(nèi)的污水溫度也隨之升高，提升了氨氣吹脫的效率，現(xiàn)場中的吹脫塔每一層塔板都裝有熱電偶溫度計(jì)，通過一個(gè)數(shù)字顯示器可以對每一層的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，為了簡化模型，本文只對最下層（第四層）的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因?yàn)槲鬯诘谒膶拥臏囟茸罡咭彩浅鏊疁囟?，這一層的氨氣吹脫效果也是最好的，對模型的貢獻(xiàn)率也是最大的。

氨氣吹脫塔的每一層中都裝有若干個(gè)帶有小孔的曝氣管道，鼓風(fēng)機(jī)（E-003）通過源源不斷的吹入空氣，使每一層的污水與空氣進(jìn)行一個(gè)逆流混合，做到充分曝氣，在堿性（pH> 12）環(huán)境下，除去游離的氨。

2 氨氣吹脫塔出水氨氮濃度的影響因素

影響氨氣吹脫塔出水氨氮濃度的主要因素有[3].

（1）pH值

通過對式（3.1）進(jìn)行分析，氨氣吹脫塔處理效果隨pH值上升而提高，pH值與氨氮去除率的關(guān)系。

（2）塔內(nèi)水溫

塔內(nèi)水溫升高，氨氮去除率也隨之升高，這也是導(dǎo)致在不同季節(jié)，污水處理效果不穩(wěn)定的原因之一。

（3）原水中氨氮濃度

當(dāng)原水中的氨氮濃度增加時(shí)，氨氮去除率增加并不明顯，因此高濃度氨氮廢水如果要提高氨氮去除率，只能靠增加串聯(lián)吹脫塔的級數(shù)。

（4）水量負(fù)荷

水量負(fù)荷也是影響氨氮去除率的一個(gè)因素，一般來講，對于塔內(nèi)填料高度為6米以上時(shí)，水量負(fù)荷不宜超過10m3/（m2.h）。國外設(shè)計(jì)水量負(fù)荷取3m3/（m2.h）左右，日本水量負(fù)荷與氨氮去除率的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，推薦的吹脫塔水量負(fù)荷為2.4-4.5m3/（m2.h）。

（5）氣液比

空氣量過小，會導(dǎo)致NH：無法及時(shí)從污水中吹脫掉；空氣量過大，會發(fā)生液泛（即污水被空氣帶走）現(xiàn)象，對生產(chǎn)造成不利影響，而且空氣量過大會增加處理污水的成本[5，6]。原水的水溫、氣液比與氨氮去除率的關(guān)系如圖6從圖中可以看出，當(dāng)氣液比增加時(shí)，氨氮去除率提高，但實(shí)際生產(chǎn)中要考慮到工藝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及防止污水液泛現(xiàn)象的發(fā)生，因此氣液比一般選為2500-5000為宜。實(shí)踐中估算了空氣的需求量，當(dāng)pH=9.0，水力負(fù)荷為2.4-7.2m3/（m2.h）、氣液比為3590時(shí)，可以將90%以上的氨氮從污水中去除。

（6）污染物濃度

污水中的污染物濃度也會影響到氨氮去除率，因?yàn)槲廴疚餄舛冗^大會阻礙揮發(fā)性物質(zhì)（如NH3）向大氣中擴(kuò)散。對于低濃度污水通常采用常溫下用空氣進(jìn)行吹脫，而高濃度污水則會利用蒸汽對污水進(jìn)行預(yù)熱并同時(shí)用空氣吹脫。

除了以上分析的6個(gè)因素以外，在實(shí)際生產(chǎn)中，氨氣吹脫塔去除氨氮效率還要受到現(xiàn)場污水化學(xué)成分構(gòu)成、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、操作人員經(jīng)驗(yàn)等因素影響。例如，同等情況下對不同行業(yè)（如制藥行業(yè)、皮革制造業(yè)等）污水進(jìn)行處理，其最終出水氨氮濃度也不盡相同。

3 結(jié)論

氨氣吹脫塔的工藝原理以及工藝流程，對影響出水氨氮濃度的因素進(jìn)行了深入全面的分析。通過本章內(nèi)容的介紹可以為我們在對氨氣吹脫工藝建模過程中，輔助變量類型選擇上提供很好的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]董陶.基于K-means聚類的軟測量建模研究[fD].無錫：江南大學(xué)，2013.

[2]宋劍杰.污水處理過程生化需氧量智能集成軟測量模型【J].自動化儀表，2011，32（10）：4245.

[3]郭根.基于LSSVM的鋁電解過程氧化鋁濃度軟測量建模研究[[D].長沙：中南大學(xué)，2014.

[4]楊小梅，劉文琦，楊俊等.基于分階段的LSSVM發(fā)酵過程建模[[J].化工學(xué)報(bào)，2013，64（9）：32623269

[5]王永鋒，黃思明，徐晶，等.一種通用的基于梯度的SVM核參數(shù)選取算法[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識，2011，41（1）：713.

[6]趙新建，沈友文，徐俊.基于ACO算法的SVM核函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化【J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2011，33（10）：126130.

（作者單位：山東華魯恒升化工股份有限公司）