超重力技術(shù)及其在氨氮廢水處理中的應(yīng)用

孔望欣，夏美芳，吳媛媛，黃 進(jìn)，鐘 魁

（浙江醫(yī)藥股份有限公司昌海生物分公司，浙江紹興312000）

環(huán)境保護(hù)

超重力技術(shù)及其在氨氮廢水處理中的應(yīng)用

孔望欣，夏美芳，吳媛媛，黃 進(jìn)，鐘 魁

（浙江醫(yī)藥股份有限公司昌海生物分公司，浙江紹興312000）

超重力技術(shù)是強(qiáng)化“三傳一反”化工過(guò)程的新技術(shù)，將其應(yīng)用在氨氮廢水處理過(guò)程，具有很大的應(yīng)用前景。著重對(duì)超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水的研究進(jìn)展、工作原理、工藝流程及技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了介紹。

超重力技術(shù)；吹脫；氨氮廢水

自1983年英國(guó)ICI公司成功研制出高強(qiáng)度氣液傳質(zhì)設(shè)備超重力機(jī)以來(lái)，人們對(duì)超重力技術(shù)進(jìn)行了密切關(guān)注和深入的理論研究，并將其應(yīng)用到了化工、材料制備、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中，取得了顯著的應(yīng)用成果[1-6]。利用超重力的科學(xué)原理的應(yīng)用技術(shù)稱為超重力技術(shù)[7-10]。它通過(guò)超重力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力場(chǎng)代替重力場(chǎng)，達(dá)到了“三傳一反”化工過(guò)程的強(qiáng)化。

隨著工業(yè)發(fā)展，每年都有大量氨氮工業(yè)廢水產(chǎn)生。國(guó)家對(duì)含氨氮廢水的排放要求非常嚴(yán)格，含氨氮廢水難以處理，這對(duì)水資源和生態(tài)環(huán)境造成了極大危害[11-12]。利用超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水是一項(xiàng)新型的去除氨氮的方法，與傳統(tǒng)處理方法如蒸汽吹脫法、空氣吹脫法、化學(xué)法等相比，該法具有傳質(zhì)效率高、設(shè)備體積小、能耗量低等優(yōu)勢(shì)，目前已在山東加華公司、山東淄博稀土高科等多公司進(jìn)行了工程化應(yīng)用研究，雖然技術(shù)不成熟，但具有很大的應(yīng)用前景。

1 工作原理

物體受到的比地球重力加速度g（≈9.8 m/s2）更大的力稱為超重力。當(dāng)g接近0（失重）時(shí)，氣液、液液、液固相接觸時(shí)的動(dòng)力因素Δρg（浮力因子）將趨于0，此時(shí)不再受密度差影響，分子間作用力（如表面張力）起主導(dǎo)作用，液相物質(zhì)發(fā)生近球形團(tuán)聚，相間接觸不再充分，相間傳遞作用逐漸變?nèi)?，分離無(wú)法進(jìn)行。而隨著g增大（超重）時(shí)，Δρg變大，流體的相對(duì)速度增大，相間產(chǎn)生了巨大的切應(yīng)力，將液相物質(zhì)拉伸成微米、納米級(jí)別的液滴、液絲或液膜，大大增加了相間接觸面積，從而強(qiáng)化傳遞，通常相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)的塔設(shè)備高1~3個(gè)數(shù)量級(jí)[13]。設(shè)計(jì)和使用可高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備是最簡(jiǎn)單的模擬超重力的方法。通常利用離心力進(jìn)行復(fù)相分離、密度差分離，而超重力技術(shù)有所不同，核心在于對(duì)相間傳遞過(guò)程和微觀混合、反應(yīng)過(guò)程的極大強(qiáng)化。

在氨氮廢水中存在以下平衡：

NH3與NH4+之間的轉(zhuǎn)換受到pH值、溫度、壓力等的影響。pH值為強(qiáng)堿性時(shí)，大量的OH-氛圍使得平衡向逆反性進(jìn)行，體系中基本都為溶解性液態(tài)NH3；而溫度升高和壓力降低有利于廢水中NH3的逸出。

超重力技術(shù)應(yīng)用到氨氮廢水吹脫過(guò)程，也就是指使用超重力設(shè)備取代傳統(tǒng)的填料塔作為吹脫設(shè)備，以空氣為氣提劑，通過(guò)大量空氣與堿性的氨氮廢水接觸，將水中的游離氨分子解吸到氣相的過(guò)程。

2 超重力設(shè)備

超重力設(shè)備也稱超重力機(jī)(High Gravity Rotary Device，Higee)或旋轉(zhuǎn)填料床(Rotating Packed Bed，RPB)。超重力設(shè)備按結(jié)構(gòu)不同可分為立式、臥式；按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同可分為體旋轉(zhuǎn)式、雙動(dòng)盤(pán)式、動(dòng)靜結(jié)合式等[14]；按分離物系的要求和旋轉(zhuǎn)填料上填料層數(shù)不同，可分為單層填料和多層填料；按氣液接觸方式或操作方式不同可分為逆流、并流和錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床[15~18]。

在吹脫氨氮廢水處理中，使用超重力設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塔設(shè)備，發(fā)生了兩大變化：①液相流動(dòng)由重力環(huán)境變成了超重力環(huán)境；②設(shè)備由傳統(tǒng)的靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榱诵D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。超重力設(shè)備由固定的圓柱形殼體、轉(zhuǎn)子、填料和液體分布器等組成，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 超重力設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Tab.1 Instruction chart of high gravity equipment structure

機(jī)器開(kāi)動(dòng)時(shí)，氣體在壓力梯度的影響下進(jìn)入超重設(shè)備轉(zhuǎn)軸外腔，穿過(guò)填料。同時(shí)液體在泵的帶動(dòng)下也流向轉(zhuǎn)軸，并通過(guò)噴頭均勻淋灑于轉(zhuǎn)軸內(nèi)側(cè)。隨著轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)液體向外甩出，在巨大剪切力和與填料碰撞作用下，逐漸變小形成極大的不斷更新的表面積，大大增加兩相之間的相界面積增大，伴隨著劇烈攪動(dòng)速度、濃度、溫度邊界層等影響，達(dá)到了傳質(zhì)與反應(yīng)過(guò)程的強(qiáng)化。之后液體被轉(zhuǎn)子甩入外殼經(jīng)匯集從底部的液體出口流出，而氣體則經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)軸中心離開(kāi)轉(zhuǎn)軸向上沖氣體出口排出。

3 超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水的研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)超重力技術(shù)研究最早，主要集中在ICI、DOW、DuPont、Norton等公司和Newcatstle、Washington等大學(xué)，目前專門對(duì)超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水的研究報(bào)道較少。

國(guó)內(nèi)柳來(lái)栓等[19]用超重力法吹脫某銅洗車間的含氨量為1500~2000 mg/L的混合廢水，在溫度40℃，pH值為11.0，氣液體積流量比1200，轉(zhuǎn)速1200 r/min的條件下，得到了單程吹脫率高于85%的吹脫效果。焦緯洲等[20]對(duì)超重力技術(shù)處理某焦化廠氨氮廢水進(jìn)行了中試研究，重點(diǎn)考察了氣液比轉(zhuǎn)速溫度值等對(duì)氨氮脫除率和氣相壓降的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在適宜的操作條件下單級(jí)氨氮脫除率可達(dá)75%，可滿足后序處理工藝的要求。王媛媛等[21]使用折流式旋轉(zhuǎn)填料床處理了含氨量為10366 mg/L的廢水，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：溫度為20℃，pH為10左右，氣體流量160 m3/h，液體流量60 L/h，轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)，吹脫率可達(dá)92%。

山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心和北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心在超重力技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究上處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。前者分別在山西焦化集團(tuán)有限公司、山東淄博稀土高科、山東加華公司等企業(yè)進(jìn)行了高濃度氨氮廢水的吹脫中試試驗(yàn)，得出將超重力技術(shù)用于氨氮廢水吹脫中，當(dāng)溫度35℃~40℃，pH值10.5~ 11.0，氣液比為1200，超重力因子100時(shí)，可以獲得85%以上的單級(jí)吹脫率，效果顯著。后者對(duì)某合成氨廠的含氨（20000～30000 mg/L）廢水進(jìn)行了超重力氣提中試試驗(yàn)，成功將氨氮量降至可直接排放標(biāo)準(zhǔn)，并得到可利用的5%～20%的濃氨水。還與原中國(guó)天然氣總公司下屬大型合成氨企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)建立了一套超重力尿素水解工業(yè)側(cè)線，處理水量達(dá)到5 t/h，在溫度220℃～230℃，壓力2.4～2.6 MPa條件下，可將廢水中100 mg/L左右的尿素含量處理至5 mg/L以下，達(dá)到中壓鍋爐的用水要求。

目前超重力法吹脫氨氮技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用較少，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)不夠成熟，特別是大型的結(jié)構(gòu)，仍需要根據(jù)具體的物系進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

4 超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水的工藝流程

圖2列出了采用超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水的工藝流程。氨氮廢水在調(diào)節(jié)池中通過(guò)加入堿和解氨劑，通過(guò)pH控制儀調(diào)節(jié)pH值至10.5～11.5，之后經(jīng)廢水泵注入到超重力機(jī)中，在高湍動(dòng)、大的氣液接觸面積的情況下，與風(fēng)機(jī)帶動(dòng)進(jìn)超重機(jī)的空氣進(jìn)行充分接觸并產(chǎn)生霧化，將廢水中的游離氨吹脫出來(lái)。之后排出的廢水氨氮含量達(dá)標(biāo)則直接排放，不達(dá)標(biāo)則重新打入超重機(jī)中再次進(jìn)行脫氨處理。通常經(jīng)此處理出來(lái)的氨氮廢水達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。而從超重機(jī)中排出的氣體通過(guò)超級(jí)氨回收器，可得到一定濃度的氨水，其余氣體通過(guò)除霧器，經(jīng)過(guò)除霧后直接排放。

圖2 超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水工藝流程圖Tab.2 Process flow of using high gravity technology to blow off ammonia nitrogen wastewater

5 超重力技術(shù)吹脫氨氮廢水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與工業(yè)上傳統(tǒng)僅使用塔設(shè)備的吹脫法相比，超重力法吹脫氨氮廢水具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①設(shè)備體積質(zhì)量小、設(shè)備及基建費(fèi)用少，過(guò)程放大容易，啟動(dòng)、停車迅速，運(yùn)行更穩(wěn)定；②擺脫了重力場(chǎng)的影響，對(duì)氣液變化不敏感，對(duì)物料粘度適應(yīng)性廣，操作彈性大；③氣相動(dòng)力消耗小、物料停留時(shí)間短、傳質(zhì)系數(shù)大；④去除氨氮效率高，有利于氣相中氨的回收利用；⑤能夠增加水中的溶解氧，為可能的后續(xù)生化處理提供充足氧源。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)中向河流湖泊中排放的有害氨氮廢水必須得到解決。超重力技術(shù)由于其傳質(zhì)效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在除氨氮廢水的應(yīng)用中效果顯著，受到越來(lái)越多人的關(guān)注，目前在我公司也開(kāi)始進(jìn)行了中試試驗(yàn)。雖然超重力除氨氮技術(shù)在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展，但大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用較少，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷完善，預(yù)期其在不久的將來(lái)會(huì)被廣泛應(yīng)用于氨氮廢水的回收及綜合利用，造福人類。

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Super Gravity Technology and Its Application in the Treatment of Ammonia Nitrogen Wastewater

KONG Wang-xin，XIA Mei-fang，WU Yuan-yuan，HUANG Jin，ZHONG Kui
(Changhai Biological Company,Zhejiang Medicine Co.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang 312000,China)

High gravity technology is a new technology can strengthen chemical process of"three transmits and one reaction”,and it is of great application prospect in the treatment process of ammonia nitrogen wastewater.This paper focuses on introducing research progress,working principle,process flow and technological advantage of high gravity technology blowing off ammonia nitrogen wastewater.

super gravity technology;blow off;ammonia nitrogen wastewater

1006-4184（2015）8-0040-04

2015-06-25

孔望欣（1974-），男，本科，助理工程師，主要從事VE產(chǎn)品生產(chǎn)及后續(xù)三廢問(wèn)題處理的研究。E-mail：761672925@qq.com。