基于循環(huán)氨水的廢水處理工藝優(yōu)化

＊何華 李華 白曄霖

（神華巴彥淖爾能源有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 015300）

引言

隨著工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，為了減輕廢水排放對生態(tài)環(huán)境的不良影響，傳統(tǒng)的廢水處理方法得到了廣泛應(yīng)用，這些方法包括化學(xué)沉淀、生物處理、物理過濾等[1]。然而，這些傳統(tǒng)方法在處理高濃度、難降解廢水時存在效率低、處理成本高、產(chǎn)生大量廢渣等問題，迫切需要進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[2]。因此，本研究的目標(biāo)是通過對循環(huán)氨水廢水處理工藝的優(yōu)化，進(jìn)一步提高其廢水處理效率，降低處理成本，從而為廢水治理提供一種更為可行和可持續(xù)的解決方案。

1.循環(huán)氨水的廢水處理工藝概述

(1)循環(huán)氨水廢水的產(chǎn)生與特性

循環(huán)氨水廢水是一種在多個工業(yè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的特殊類型的廢水，其主要成分是氨氮和其他污染物（如硫化氫、硫醇、甲醛、尿素等）[3]。該廢水通常由以下過程中產(chǎn)生：肥料生產(chǎn)、畜牧業(yè)的污水、食品加工中的廢水排放以及氨氣脫除過程中產(chǎn)生的液體廢棄物。循環(huán)氨水廢水的主要特點(diǎn)之一是高濃度的氨氮含量。氨氮是一種有害污染物，對水體生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成不良影響[4]。除氨氮外，循環(huán)氨水廢水還含有有機(jī)物、懸浮物、重金屬和其他污染物。這些成分的種類和濃度因廢水來源而異，因此需要不同的處理策略來去除或降低它們的濃度。在某些情況下，循環(huán)氨水廢水可能具有相對高的鹽度（1～18g/L），會影響廢水處理工藝的效果，尤其是在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中。

(2)傳統(tǒng)廢水處理工藝分類

傳統(tǒng)廢水處理工藝可根據(jù)處理方法和原理進(jìn)行分類，通常包括物理處理、化學(xué)處理和生物處理等主要類別[5]。

①物理處理：物理處理是一種通過物理性質(zhì)來分離或去除廢水中污染物的方法。其中包括沉淀、過濾、膜分離和吸附等過程。例如，沉淀通過重力使固體顆粒在廢水中沉積，以去除懸浮物和部分溶解性污染物。膜分離使用半透膜或微孔膜來分離溶質(zhì)和溶劑，常用于去除微生物、微粒和有機(jī)物。物理處理方法通常用于初級廢水處理，用于去除廢水中的大顆粒物質(zhì)。

②化學(xué)處理：化學(xué)處理依靠添加化學(xué)試劑來改變污染物的性質(zhì)，使其沉淀去除。常見的化學(xué)處理涉及廢水調(diào)節(jié)、預(yù)處理和反應(yīng)池階段，通過添加化學(xué)藥劑，如混凝劑和絮凝劑，來改善水質(zhì)。這些藥劑有助于聚集和沉淀廢水中的污染物，從而便于后續(xù)處理（如圖1）。

圖1 化學(xué)處理工藝流程

③生物處理：生物處理是一種利用微生物活動來降解廢水中有機(jī)物和氮?dú)獾姆椒?。生物處理通常包括活性污泥法、生物濾池、生物膜反應(yīng)器等。這些過程提供了一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的方式來降低廢水中的有機(jī)負(fù)荷和氨氮質(zhì)量濃度。生物處理在二級廢水處理中廣泛應(yīng)用，可有效去除廢水中的生化需氧量和氨氮。

2.傳統(tǒng)循環(huán)氨水的廢水處理工藝存在的問題

(1)處理效率低，難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)循環(huán)氨水的廢水處理工藝主要是生物法，利用微生物的硝化和反硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻５?，這種方法需要較長的反應(yīng)時間，對溫度、pH、溶解氧等環(huán)境因素敏感，容易受到抑制或失活。當(dāng)溫度低于10℃時，硝化菌的活性會顯著降低；當(dāng)pH低于6.5或高于8.5時，硝化和反硝化的速率會減慢；當(dāng)溶解氧低于2時，硝化作用會受到限制。此外，由于循環(huán)氨水中含有大量的殺菌劑、阻垢劑等化學(xué)物質(zhì)，會影響廢水的可生化性，降低生物法的處理效率。這些化學(xué)物質(zhì)不僅會抑制或殺死微生物，還會干擾微生物的代謝過程，導(dǎo)致氨氮的積累或有機(jī)物的殘留。

(2)運(yùn)行成本高，耗能耗碳

傳統(tǒng)循環(huán)氨水的廢水處理工藝需要大量的曝氣設(shè)備，提供足夠的溶解氧和混合條件。這會導(dǎo)致較高的電力消耗和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。根據(jù)統(tǒng)計，曝氣設(shè)備占生物法總能耗的60%～80%，而且曝氣設(shè)備的壽命一般只有3～5年。曝氣設(shè)備主要包括：鼓風(fēng)機(jī)、曝氣管道、曝氣頭等部件，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生較大的噪音、磨損和堵塞，需要定期更換和清洗，增加了人力和物力的投入。同時，由于生物法需要外加碳源作為反硝化菌的電子供體，還需要投加磷酸鹽、鎂鹽等營養(yǎng)物質(zhì)，增加了原料成本和化學(xué)藥品消耗。一般來說，生物法每去除1kg氨氮需要消耗4kg碳源和0.2kg磷酸鹽。碳源通常是甲醇、乙醇、葡萄糖等有機(jī)物，它們不僅價格昂貴，還會增加二氧化碳的排放，造成溫室效應(yīng)。這些化學(xué)藥品的使用不僅會增加廢水處理的運(yùn)營費(fèi)用，還會對廢水的水質(zhì)和污泥的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

(3)污泥產(chǎn)量大，處理難度高

傳統(tǒng)循環(huán)氨水的廢水處理工藝會產(chǎn)生大量的活性污泥，這些污泥含有較高的含水率和有機(jī)物含量，不易脫水和穩(wěn)定。污泥的處理和處置需要占用較大的土地面積，造成二次污染和資源浪費(fèi)。據(jù)估計，生物法每去除1kg氨氮會產(chǎn)生0.8～1.2kg干污泥。這些干污泥的含水率一般在70%～80%，需要經(jīng)過壓濾、干燥等工序才能達(dá)到合格的固體廢物標(biāo)準(zhǔn)。污泥的處理和處置不僅占用了大量的設(shè)備、能源和人力，還會產(chǎn)生大量的溫室氣體、惡臭氣體和重金屬等污染物，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。此外，污泥中還可能殘留有未完全降解的粘泥剝離劑有害物質(zhì)，通過污泥滲濾液、污泥堆肥進(jìn)入地下水或土壤中，造成長期的生態(tài)風(fēng)險。

3.循環(huán)氨水的廢水處理工藝優(yōu)化應(yīng)用

在循環(huán)氨水廢水中，主要涉及氨氮、硫酸銨、硫酸等污染物。其中，氨氮的質(zhì)量濃度一般在1000～3000mg/L，硫酸銨的質(zhì)量濃度一般在2000～5000mg/L，硫酸的質(zhì)量濃度一般在100～300mg/L。這些污染物不僅對環(huán)境造成危害，還造成資源的浪費(fèi)。因此，開發(fā)高效、節(jié)能、環(huán)保的循環(huán)氨水廢水處理工藝具有重要意義。

(1)處理工藝流程

內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔裝置是一種利用汽提、吸收循環(huán)優(yōu)化工藝組合，從高濃度氨氮廢水中回收硫酸銨產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)工藝和熱集成的方法。其工藝包括原水池、混合器、預(yù)熱器、脫氨塔、稀硫酸吸收段等設(shè)備和步驟。通過塔板和化學(xué)物質(zhì)的作用，廢水中的氨逐漸被分離出來，得到氨含量低的廢水。同時，通過循環(huán)利用蒸汽和化學(xué)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量和資源的節(jié)約，流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

①在該工藝中，通過內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔，實(shí)現(xiàn)了對循環(huán)氨水廢水的高溫高壓汽提處理。內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔是一種具有多層內(nèi)流式塔板的垂直塔體，其上部設(shè)有汽提進(jìn)口，下部設(shè)有廢水進(jìn)口和汽提出口，中部設(shè)有冷卻水進(jìn)口和出口。在塔內(nèi)，廢水與載氣（水蒸汽）混合后沿塔板向上流動，在高溫高壓下，使廢水中的氨氮以游離態(tài)或氨水形式進(jìn)入汽相。同時，冷卻水沿塔板向下流動，在與汽相進(jìn)行逆流接觸的過程中，使汽相中的氨氮被冷卻水吸收，形成低濃度的氨水溶液。該溶液經(jīng)過熱交換器后進(jìn)入吸收塔，在吸收塔中與硫酸反應(yīng)，生成硫酸銨溶液和水蒸汽。汽提出水則經(jīng)過熱交換器后達(dá)標(biāo)排放或回用。

②在吸收塔中，能夠通過冷卻水的加入，對汽相中的氨氮進(jìn)行吸收，并且經(jīng)換熱器，在達(dá)標(biāo)之后進(jìn)行排出。同時，在吸收塔中，通過硫酸的加入，對吸收液中的氨氮進(jìn)行反應(yīng)，并且經(jīng)結(jié)晶、離心、干燥等工序，在得到硫酸銨產(chǎn)品之后進(jìn)行排出。吸收塔是一種具有多層填料的垂直塔體，其上部設(shè)有冷卻水進(jìn)口和出口，下部設(shè)有硫酸進(jìn)口和出口，中部設(shè)有吸收液進(jìn)口和出口。在塔內(nèi)，冷卻水沿填料向下流動，在與汽相進(jìn)行逆流接觸的過程中，使汽相中的氨氮被冷卻水吸收，形成低濃度的氨水溶液。該溶液與硫酸混合后發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸銨溶液和水蒸汽。硫酸銨溶液則經(jīng)過結(jié)晶、離心、干燥等工序后得到硫酸銨產(chǎn)品。水蒸汽則返回內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔作為載氣，實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用。

(2)工藝處理效果

高氨氮廢水進(jìn)入原水池后，通過原水提升泵送入管道混合器，在其中加入液堿調(diào)節(jié)pH值至12以上，使氨氮以游離態(tài)存在。然后，廢水提升泵將氨氮廢水經(jīng)過板式換熱器預(yù)熱至設(shè)定溫度后，進(jìn)入內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔的蒸汽脫氨段。在此段中，廢水自上而下經(jīng)過S型復(fù)合篩孔塔板，與塔底上升的新鮮蒸汽和循環(huán)蒸汽逆流接觸進(jìn)行質(zhì)量交換，使廢水中的氨由液相轉(zhuǎn)化為汽相，并被高效分離出來。脫氨塔底部得到的脫氨廢水含有低于100mg/L的氨氮。接著，脫氨后的廢水由塔釜出水泵經(jīng)過板式換熱器與提升泵的原氨氮廢水換熱，回收利用其中的熱量后排出。同時，從脫氮塔蒸汽脫氨段排出的含氨蒸汽經(jīng)過與塔頂噴淋下來的30%左右的稀硫酸反應(yīng)，吸收其中的氨，生成25%左右的硫酸銨溶液。凈化后的蒸汽由蒸汽循環(huán)機(jī)送回脫氮塔循環(huán)使用。最后，硫酸銨循環(huán)吸收段的酸性硫酸銨溶液一部分繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)吸收，另一部分分流產(chǎn)出。

在此過程中內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔內(nèi)添加了硝化菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌等微生物菌種，通過生物反應(yīng)將氨氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮和有機(jī)氮，實(shí)現(xiàn)了氨氮的生物脫除和回收。該塔的進(jìn)水量為100m3/h，進(jìn)水pH為9.5，進(jìn)水溫度為35℃，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為2000mg/L，出水氨氮質(zhì)量濃度為300mg/L，出水pH為8.5，出水溫度為40℃。吸收塔的進(jìn)水量為100m3/h，進(jìn)水pH為8.5，進(jìn)水溫度為40℃，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為300mg/L，進(jìn)水硫酸銨質(zhì)量濃度為3000mg/L。在吸收塔中，含有硫酸銨溶液和稀硫酸溶液的廢水與20%的硫酸溶液進(jìn)行反應(yīng)吸收，在其中生成了低濃度的硫酸銨溶液和低含量的游離態(tài)氨。吸收塔的出水pH為7.0，出水溫度為45℃，出水氨氮質(zhì)量濃度為10mg/L，出水硫酸銨質(zhì)量濃度為0.1g/L。

因此，在循環(huán)氨水廢水處理中，內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔裝置的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)循環(huán)氨水廢水處理模式，充分發(fā)揮了內(nèi)流式循環(huán)脫氮塔和吸收塔的工藝優(yōu)勢，極大地提高了循環(huán)氨水廢水處理效果。

4.結(jié)語

總之，通過優(yōu)化循環(huán)氨水廢水處理工藝，可以有效減少對環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)工業(yè)和環(huán)保的雙贏。這不僅有利于改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還將為未來的可持續(xù)發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在廢水處理領(lǐng)域進(jìn)行持續(xù)的創(chuàng)新和改進(jìn)是非常必要的，以迎接更清潔、更健康、更可持續(xù)的明天。