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收藏 | 氨吹脱工艺原理、特点及影响因素

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学社我家 发表于 2019-11-16 08:15 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
常用的处理氨氮废水的方法主要有吹脱法、生化法、离子交换法、折点氯化法和磷酸铵镁沉淀(MAP)法等。目前,国内多采用生化法和吹脱法,国外则多采用生化法和磷酸铵镁沉淀法。吹脱法多用于处理中高浓度、大流量氨氮废水,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,所以明确影响吹脱法的关键因素,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。
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一、吹脱原理
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吹脱法的基本原理是利用废水中所含的氨氮等挥发性物质的实际浓度与平衡浓度之间存在的差异,在碱性条件下使用空气吹脱,由于在吹脱过程中不断排出气体,改变了气相中的氨气浓度,从而使其实际浓度始终小于该条件下的平衡浓度,最终使废水中溶解的氨不断穿过气液界面,使废水中的NH3-N得以脱除,常以空气作为载体。氨吹脱是一个传质过程,推动力来自空气中氨的分压与废水中氨浓度相当的平衡分压之间的差,气体组份在液面的分压和液体内的浓度符合亨利定理,即成正比关系。此法也叫“氨解析法”,解析速率与温度、气液比有关。
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吹脱法的基本原理是气液相平衡和传质速度理论。废水中的NH3-N通常以铵离子(NH4+)和游离氨(NH3)的状态把持平衡而存在的(如下图):
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# M  A& _% p" U# U1 x% f当PH为中性时,NH3-N主要以铵离子(NH4+)形式存在,当PH值为碱性,NH3-N主要以游离氨(NH3)状态存在吹脱法是在沸水中加入碱,调节PH值至碱性,先将废水中的NH4+转化为NH3,然后通入蒸汽或空气进行解吸,将废水中的NH3转化为气相,从而将NH3-N从水中去除。常用空气或水蒸气作载气,前者称为空气吹脱,后者称为蒸汽吹脱。2 P$ F& h7 ^: [5 [' h  t2tech.cn

3 d% k4 a% s6 n' o2 r6 a' h二、优缺点2 y  e; |& n8 y* ?9 r# t. P5 B6 {7 i2tech.cn

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$ p  e  }+ G7 b优点:吹脱法用于处理高浓度氨氮废水具有流程简单、处理效果稳定、基建费和运行费较低等优点,实用性较强。) Y- I5 t  h) s' i; _, N7 M0 Z2tech.cn
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缺点:进出水需要调整PH、如果没有酸性吸收吹脱出来的氨气随空气进入大气引起二次污染、硬度高的废水结垢严重。2 r& f* l7 H& [7 W, i$ u( k6 Q2tech.cn
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三、影响因素+ q9 X) H* t4 T: {* c2tech.cn

% Z0 }: D1 t1 @$ g吹脱法一般采用吹脱池(也称“曝气池”)和吹脱塔两类设备。但吹脱池占地面积大,而且易污染周围环境,所以有毒气体的吹脱都采用塔式设备。塔式设备中填料吹脱塔主要特征是在塔内装置一定高度的填料层,使具有大表面积的填充塔来达到气—液间充分接触。常用填料有纸质蜂窝、拉西环、聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心球等。废水被提升到填充塔的塔顶,并分布到填料的整个表面,水通过填料往下流,与气流逆向流动,废水在离开塔前,氨组份被部分汽提,但需保持进水的pH值不变。空气中氨的分压随氨的去除程度增加而增加,随气水比增加而减少。影响吹脱法处理氨氮废水去除率主要是pH值、温度、气液比/吹脱水位深度、吹脱时间等因素。 8 y! N# V" a5 z- k2tech.cn
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( H4 S% g( m1 l- K表(一),不同pH、温度下氨氮的离解率%
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(1)PH5 ]' u' g" B. S+ ?/ n0 a2tech.cn
水中的氨氮,大多以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)保持平衡的状态而存在。其平衡关系式如下:
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0 M1 U% x) f- W: g& l1 nNH4++OH↹NH3+H2O (1)1 y% o1 |" N( S1 p8 f7 J: C2tech.cn
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式(1)受pH 值的影响,当pH值高时,平衡向右移动,游离氨的比例较大,当pH 值为11 左右时,游离氨大致占90%。
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(2)温度9 h( I; _& E; c2tech.cn
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氨与氨离子之间的百分分配率可用下式进行计算:) L  m, k& R. Z/ ]5 ?2tech.cn

4 B0 ]: o5 t0 @% zKa=Kw /Kb=(CNH3·CH+)/CNH4+ (2): M7 d: S/ p. A5 ^8 b# |: n2tech.cn
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式中:" Q5 H9 j& c- J: k2tech.cn
Ka—— —氨离子的电离常数;% W# ?$ `+ X3 |; B9 E3 k2tech.cn
Kw—— —水的电离常数;
* r$ J0 t, Z8 D& G6 M5 wKb—— —氨水的电离常数;
) |+ t, e: @$ jC—— —物质浓度。" g% L- S4 v+ V0 X1 T6 e2tech.cn

" x9 _: O5 k2 m5 j9 `由式(2)可以看出,pH 值是影响游离氨在水中百分率的主要因素之一。另外,温度也会影响反应式(1)的平衡,温度升高,平衡向右移动。表(一)列出了不同条件下氨氮的离解率的计算值。表中数据表明,当pH值大于10 时,离解率在80%以上,当pH 值达11时,离解率高达98%且受温度的影响甚微。2 U: h: M# U3 {2 K# G$ i2tech.cn

- g' }/ ?5 x8 X3 ^6 @* g2 J(3)气液比. G% a7 `& I. t: h2tech.cn

) O; |% E3 M0 H  ~/ P' v# A气液比: 指空气(蒸汽)和吹脱对象(含氨废水)的体积比。2 e6 ^$ v! W3 j+ j; q) T  V2 \2tech.cn

; M' O2 X8 }- S$ ^影响氨气从水中向大气转移的因素有两个:一是水气界面处的表面张力;二是界面处的氨浓度差表面张力最小,气态氨释放量就最大。如果形成水滴,气态氨转移量的增加将会很小。因此,反复形成水滴有助于氨的吹脱。: G' c+ A6 X4 x* [+ S2tech.cn
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水和大气中氨氮的浓度差是气态氨转移的动力。为使水滴周围环境中的氨氮浓度最小,必须将空气快速循环,用含低浓度气态氨的空气搅动水滴,有助于加快氨的释放。
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对确定的废水量而言,增大气体量,传质推动力相应增大,有利于氨氮吹脱去除。但气量太大,气速过高,将影响废水沿填料正常下流甚至不能流下,即引起液泛现象。因此,对一定废水量,最小液气比受液泛气速控制;但是进水量较小时,会消耗大量的能源,所以一般氨氮吹脱工艺将气液比控制在3000左右。
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% H, a6 X$ N$ `# @# i8 D0 c4、吹脱时间
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减小吹脱时间,有利于加快反应速度,提高处理量,减少设备的容积。徐颖采用吹脱法处理垃圾渗滤液,吹脱段pH值为11,气液比在2000~2300,吹脱时间9h,反应条件达到最佳吹脱效率才达到52.0%。卢平等采用吹脱—缺氧—两级好氧工艺处理垃圾渗滤液,垃圾渗滤液取自香港某垃圾填埋场,氨氮浓度1400mg/L,pH值为9.5,吹脱时间12h,经吹脱后氨氮去除率为60%。傅金祥等采用吹脱法垃圾渗滤液,进水氨氮浓度1800mg/L,最佳pH值为11,最佳气液比为360∶1,空气量为3.0L/min,吹脱时间为1h,去除效率可达88.75%。由此可看出处理相同的废水最佳吹脱时间也相差很大,可能是因为采用的填料不同、装置设计的合理性等原因造成,吹脱处理后能够很好地进行后续处理和控制运行成本。
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