过饱和吹脱塔处理铍冶炼高浓度氨氮废水的工程实践研究

张乐红，周康根，陈泉洲

（中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083）

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过饱和吹脱塔处理铍冶炼高浓度氨氮废水的工程实践研究

张乐红，周康根，陈泉洲

（中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083）

详细介绍了过饱和吹脱塔的系统组成与特点，并采用与AMAR树脂吸附相联合的工艺处理湖南某铍冶炼厂高氨氮废水。工程实践研究表明，过饱和吹脱塔在废水氨氮初始浓度为20 000 mg／L、pH＝12.29、风机频率45 Hz、废水温度20℃的运行条件下，吹脱7 h后废水氨氮去除率可达95%，吹脱9.5 h后可将氨氮废水浓度降低至300 mg／L以下。该联合工艺对高浓度氨氮废水具有很好的处理效果，出水氨氮浓度低于15 mg／L，且回收的硫酸铵不仅可以冲抵废水处理成本，甚至还能产生一定的经济效益。

过饱和吹脱塔；高氨氮废水处理；工程实践研究

湖南某铍冶炼厂采用氟化铍镁热还原法生产工艺，此生产工艺下生产铍及铍制品的过程中，除了产生含铍废水外，还会产生一定量的高浓度氨氮废水。目前对高浓度的氨氮废水的处理方法主要有吹脱法、树脂吸附法、化学沉淀法、生物法等。吹脱法具有工艺流程简单、适应性强、操作简单、去除效率稳定、运行费用较低等优点［1］，多用于中高浓度、大流量氨氮废水的预处理。现有吹脱装置主要有吹脱池和吹脱塔，由于前者效率低，易受外界环境影响，因此多采用吹脱塔装置。传统的吹脱装置吹脱出的氨可以回收利用，但有容易结垢、低温时氨氮去除效率低、吹脱时间长、二次污染、出水氨氮浓度仍偏高等缺点［2］。因此明确影响吹脱法的关键因素，改进吹脱设备，提高氨氮去除率，对于氨氮处理成本控制、水污染得到控制、实现城市的可持续发展具有重要的意义［3］。本文对本课题组自主研发的新型吹脱设备——过饱和氨氮吹脱塔开展工程实践的研究，为优化过饱和吹脱塔脱氮技术及设备的运行控制参数提出实践数据依据，为该项技术的全面推广提供更加可靠的工程实践依据。

1 过饱和吹脱塔系统组成与特点

过饱和吹脱塔整合了吹脱与吸收两个工艺，其处理工艺是一个闭路循环吹脱-吸收工艺，其系统组成如图1所示。

图1 氨氮吹脱-吸收工艺系统图

该工艺有以下特点：（1）整个吹脱-吸收过程是在完全密闭的循环体系内进行，既防止了NH3的外溢造成空气污染又可防止空气中的CO2进入系统与废水中的Ca2+形成CaCO3沉淀堵塞填料；（2）与常规单次过塔吹脱不同的是，系统采用的是循环吹脱-吸收流程。该流程包括三个循环，即氨氮废水在吹脱液池与吹脱塔间、吸收液在吸收液池与吸收塔间、吹脱气体在吹脱塔和吸收塔间的循环；（3）采用循环吹脱使得常温吹脱成为可能，节约了废水加热所需的运行成本，塔规模也可大大地缩小，节约基建投资；（4）吸收液的循环过程也是吸收后氯化铵的浓缩过程，随着吹脱吸收过程的进行，吸收液中的氯化铵浓度逐渐上升并以结晶的形式沉于吸收池底。

2 过饱和吹脱塔的工程实践研究

2.1 废水水质特点

氨氮废水主要来源于该厂三车间、四车间及六车间生产排放，日排放氨氮废水水量为76 m3／d，经收集汇合后氨氮废水浓度的波动范围为3 800～20 000 mg／L；同时还包含少量重金属离子。设计出水NH3-N浓度低于15 mg／L，设计出水水质执行《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准。

2.2 废水处理工艺选择

针对该铍冶炼厂所产生的高浓度氨氮废水水质、水量特点，再结合各氨氮废水处理方法与工艺的优缺点及其适用性，本工程采用吹脱+吸附联合工艺进行该氨氮废水处理。先采用吹脱-吸收工艺作为初步脱氮手段，在降低废水氨氮浓度的同时回收大部分（NH4）2SO4，然后采用以AMAR树脂为氨氮吸附剂的离子交换柱吸附处理工艺对吹脱后的废水进行深度脱氮，使出水氨氮浓度达标排放。其中初步脱氮工艺处理阶段中，最核心的设备就是过饱和吹脱塔。

2.3 吹脱设备

氨氮吹脱设备采用过饱和吹脱塔，设计塔径3 m，塔的主体高度为13.5 m；填料高3 m，分两层安装防止壁流；填料体积21 m3，填料采用直径为50 mm的多面体塑料球；采用浓硫酸作为吸收液。

2.4 过饱和吹脱塔脱氮工艺调试研究

工艺调试的目的重点在于通过对吹脱过程中氨氮初始浓度、废水初始pH、废水温度及吹脱过程风机风量等因素的考察，确定吹脱的最佳动力学条件；并探索吹脱过程各影响因子对吹脱效率的影响。

2.4.1 氨氮废水初始浓度的影响

控制运行条件为pH＝12.39，风机频率45 Hz，废水温度19℃，吸收流量为58 m3／h，考察氨氮废水在不同初始浓度下，其氨氮去除率随时间的变化关系，结果如图2所示。

图2 不同初始废水浓度下氨氮去除率随时间变化

从图2可以看出废水初始浓度对氨氮去除率的变化影响不大，可以推测氨氮去除率在试验条件下受一固定因素影响，即液相传质系数。根据以上推测，对试验数据进行拟合，可对不同初始氨氮浓度的废水进行吹脱时间的预测，试验结果如图3所示。由图3可知，初始氨氮浓度越高，在一定要求的氨氮去除率下，所需要的吹脱时间也越长；当氨氮废水初始浓度为20 000 mg／L时，在一定的吹脱条件下吹脱至300 mg／L时预测所需的吹脱时间约9 h。

图3 吹脱至300 mg／L时吹脱时间随废水起始氨氮浓度的变化

2.4.2 吹脱时间对氨氮去除率的影响

在表1给定的条件下连续运行，考察废水浓度随时间的变化，如图4所示。

表1 废水吹脱运行条件

由图4可知：（1）废水初始氨氮浓度20 000 mg／L，吹脱到第7 h，氨氮去除率可达95%，经过9.5 h吹脱后浓度可降低至300 mg／L以下，与之前拟合曲线预测所需的吹脱时间约9 h基本吻合，从而证实拟合预测曲线的可靠性；（2）随着吹脱时间的延长，单位时间内氨氮的吹脱率逐渐降低。

图4 废水氨氮浓度随时间的变化

2.4.3 气液比对氨氮去除率的影响

根据表2，通过对比第9、10批次的数据，在吹脱pH＝12左右，吸收流量在76 m3／h左右，吹脱池温度在21℃左右时，得到的结果如图5所示。

图5 不同风机频率对液相传质系数的影响

表2 不同气液比下的废水吹脱运行条件

风机频率的升高，即增大气液比，促进了液相传质过程的进行，有利于吹脱的进行，考虑到吹脱能耗的影响，结合氨氮初始废水浓度的波动情况，风机频率采用35～45 Hz较适宜。

2.4.4 废水温度对氨氮吹脱去除率的影响

根据表3，对比第8、第9批试验数据，考察废水吹脱温度对吹脱传质过程的影响，结果如图6所示。

表3 不同废水温度下的运行条件

图6 废水温度对液相传质系数的影响

废水温度的升高，促进了液相传质过程的进行，有利于吹脱的进行。

2.4.5 吹脱+吸附联合工艺处理氨氮废水的效果

将经吹脱预处理后的氨氮废水从吹脱池中由泵加压入树脂交换柱，开始AMAR树脂的吸附深度脱氮处理，以便进一步考察氨氮废水经吹脱与吸附联合工艺处理后的废水出水是否达到国家一级污水综合排放标准，结果如图7所示。

图7 吸附处理后氨氮废水处理效果随床体积数的变化曲线

由图7可知，吹脱后浓度为624.17 mg／L的氨氮废水以一定的进水速度（5.9 m／h）从树脂交换柱顶部进入柱内，进行AMAR树脂的吸附处理，当床体积数不超过6时，氨氮废水的出水浓度低于15 mg／L，完全满足GB8978-1996《污水综合排放标准》一级排放标准要求，此时树脂交换柱对氨氮废水的去除率高达99%。

3 工艺运行成本分析

本工艺在废水处理过程中能回收氨氮资源，理论上废水浓度越高回收的氨氮资源越多，为此通过试验及理论计算，对提高废水氨氮浓度后的处理成本进行了估算。

表4 不同废水浓度条件下废水处理成本、产值、效益数据

由以上数据可知，随着废水浓度提高，硫酸铵产值迅速提高，当废水浓度超过7 800 mg／L时，整个工艺开始获得一定的经济效益。

4 结 论

1.通过为期一年的试运行，过饱和吹脱塔具有运行稳定、氨氮处理效果好等特点，与树脂吸附工艺联合处理氨氮废水，可使处理出水稳定低于15 mg／L的GB8978-1996氨氮一级排放标准，该处理工艺已通过合格验收。

2.成本低廉，使用石灰代替片碱作为废水pH调节剂，降低废水处理药剂成本。工艺所采用的石灰有效含量为80%，石灰乳配制浓度为20%，石灰乳密度约1 000 kg／m3；采用建筑用石灰洗灰机制备石灰乳。

3.密闭气相循环吹脱工艺无需蒸汽、电能加热，并且以固态硫酸铵盐形式100%回收氨氮资源，完全冲抵运行处理费用，不仅降低了废水处理成本，甚至还能产生一定的经济效益。

4.处理设备结构合理，控制自动化程度高，密闭气相循环吹脱工艺避免了空气中二氧化碳进入吹脱体系，不会产生碳酸钙沉淀而使设备结垢。

［1］ 刘文龙，钱仁渊，包宗宏.吹脱法处理高浓度氨［J］.南京工业大学学报，2008，30（4）：56-59.

［2］ 钟金松，闵育顺，肖贤明，等.浅谈高浓度氨氮废水处理的可持续发展方向［J］.环境科学与技术，2008，31（2）：92-94.

［3］ 吴海忠.吹脱法处理高氨氮废水关键因素研究进展［J］.绿色与科技，2013，2（2）：144-146.

The Industrial Experiment of the Air Stripping Tower Denitrifying Highconcentration Ammonia Nitrogen Wastewater from Beryllium Metallurgy

ZHANG Le-hong，ZHOU Kang-gen，CHEN Quan-zhou
（Institute of Metallurgy and Environment，Central South University，Changsha 410083，China）

This paper introduces the syetem components and characteristics of a supersaturated air stripping tower. The supersaturated air stripping tower combined with AMAR resin adsorption process is used for treating the high concentration of ammonia nitrogen wastewater from one of the beryllium smelting.For supersaturated air stripping tower，it is concluded from real engineening practice that the removal rate can reach 95%in 7 hrs for the wastewater with condition：the concentrate of ammonia nitrogen is 20 000 mg／L，pH 12.29，fan frequency 45 Hz，temperature of wastewater 20℃，it can reduce the concentration of ammonia＆nitrogen to 300 mg／L if the duration is increased to 9.5hrs.If it is combined with AMAR resin adsorption process，the final concentration of the ammonia nitrogen can be reduced to less than 15 mg／L，and the recovery of ammonium sulfate has certain economic benefits.

supersaturated air stripping tower；high concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment；engineering practice research

X758

A

1003-5540（2016）03-0065-04

2016-04-20

张乐红（1971-），女，讲师，主要从事废水处理研究。