草甘膦廢水處理系統成套設備的開發研制

王鐵 趙慶立

摘要：本項目草甘膦廢水處理系統成套設備的開發研制成功將改變國內生產現狀，實現國內首臺套，改造優化廢水無害化處理系統，提高水的回用率，并且對國家環保節能具有重大意義。

關鍵詞：噴射混合器;氧化塔;再分布器;濕式催化氧化法;

一、背景和立項意義

草甘膦是一種廣譜除草劑，國內主要采用甘氨酸法生產草甘膦。然而，根據植保和環保部門多年的調查和監測，發現10%草甘膦水劑會引起土壤板結，并引起嚴重的土壤和水體的污染。草甘膦廢水特點是難生化、濃度高、同時含有機物和無機物、可氧化性和生化性差，單純的通過蒸發結晶和生物降解難以處理該廢水，濕式催化氧化法處理技術的引入處理這一類廢水具有很好效果。濕式催化氧化法在國外已經工業化且成效顯著，而在國內卻僅止于研究階段，還不夠深入，相應的配套處理設備的研發缺失，也給這一行業帶來非常大的阻力，制約著行業的發展。因此，本項目草甘膦廢水處理系統成套設備的開發研制成功將改變國內生產現狀，實現國內首臺套，改造優化廢水無害化處理系統，提高水的回用率，并且對國家環保節能具有重大意義。

二、主要內容和原理

本項目主要有以下三個創新點：

第一：該系統的核心設備是氧化塔，將在原有的氧化塔廢水入口處擬增加噴射混合器（射流器），目的是使氧氣和高濃廢水更充分混合，反應更均勻，提高廢水中COD的處理效率。同時避免由于介質局部過度反應，而加重對設備的局部腐蝕，降低設備的使用壽命。

第二：廢水與氧氣經噴射混合器充分混合后，進入主反應器氧化塔，為使氧化液分布均勻進一步充分反應，均勻放熱，擬在原塔內增加再分布器，使介質再次重新分布，進一步提高廢水處理效率。

第三：廢水經主反應器氧化塔反應完成后，生成的高溫氣相產物CO2、N2等和液相產物，排出后通入熱交換器繼續加熱原廢水。計劃在氧化塔出口和熱交換器之間增加一臺氣液分離器，分離后將液體通入熱交換器繼續加熱廢水，比原氣液混合物熱傳導效率更高，從而提高熱量利用率。

加工制造工藝方面：

本項目設計的氧化塔反應器和原料預熱器工況條件比較苛刻，要求設備抗高溫、高壓、耐腐蝕。項目計劃主反應器采用鈦鋼復合板結構，基層采用碳鋼滿足強度要求。從材料采購、圖紙結構設計、制造工藝、鈦材焊接質量和施焊環境五個方面進行控制，保證設備能夠安全穩定運行。目的為滿足工況條件的同時減少能源損失，提高廢水處理效率。

工作原理：

濕式催化氧化法是將污水通過貯存罐由高壓泵打入熱交換器，與反應后的高溫氧化液體換熱，使溫度上升到接近于反應溫度后進入反應器。反應所需的氧由壓縮機打入反應器。在反應器內，污水中的有機物與氧發生放熱反應。在較高溫度下將污水中的有機物氧化成二氧化碳和水，或低級有機酸等中間產物。反應后氣液混合物經分離器分離，液相經熱交換器預熱進料，回收熱能。高溫高壓的尾氣首先通過再沸器（如廢熱鍋爐）產生蒸汽或經熱交換器預熱鍋爐進水。其冷凝水由第二分離器分離后通過循環泵再打入反應器，分離后的高壓尾氣送入透平機產生機械能或電能。

三、國內外技術發展趨勢

濕式氧化（wo）技術主要來源于濕式空氣氧化（WAO）技術。它是由美國人F.J.Zimmermann在1958年提出來的，并且美國的Zimpm公司最早將其應用于工業化，處理造紙黑液等有毒有害工業廢水。從80年代中期開始又開展了對催化濕式氧化（CWAO）和超臨界濕式氧化工藝（SWAO）的研究。到目前為止，國際上已成功地將WO技術應用于城市廢水和丙烯腈、焦化、印染工業廢水及含酚、有機磷、有機硫化合物的農藥廢水處理。據不完全統計，到1992年，僅Zimpro公司設計的WO工業裝置就有500多套，分布于世界160多個國家，其中用于廢水處理的裝置約占一半。而國內從80年代才對WO進行研究，先后對造紙黑液、含硫廢水、含磷廢水、酚水、煤制氣廢水及農藥廢水等進行了研究，但目前仍處于試驗研究階段，對工業裝置的研究數據更是寥寥無幾。

四、開發方案（研制內容、解決的關鍵技術問題、方式、技術路線）

研制內容：

我公司項目組將針對設備需在高溫高壓下進行反應，并且介質成分多樣復雜，腐蝕性大等難題，從設備結構設計、制造工藝選擇與檢驗等幾方面進行分析與研究，以期形成一套科學、合理、可操作性強的水處理系統結構創新優化方案。使研制的設備最終能達到降低設備成本，延長使用壽命，提高裝置的生產效率和質量，降低生產能源消耗的目的。

解決的主要關鍵技術問題：

（1）???? 噴射混合器結構設計

保證氧氣在正確的反應溫度下與廢水均勻混合是氧化塔的設計重點。原始設計結構，管理維修困難，容易堵塞，結構復雜，混合不均勻，氧轉化率低，新結構根據軟件模擬計算，擬確定混合器的結構尺寸，理論能夠徹底避免上述問題。

傳統的曝氣設備氧的轉化率一般低于10%，擬采用射流形式的曝氣設備氧，理論上轉化率可達25%以上。在有廢水回流時，降低后級處理設施的負荷。期望該設計結構緊湊、效率高、管理維修簡便、安裝快捷、運行可靠、可隨時啟動或停止。

（2）???? 再分布器結構的設計

廢水與氧氣經過混合器混合后，為了在塔體內更加充分反應，設計在原有結構中增加再分布器，使介質在塔內分布均勻，充分反應，提高COD去除率，同時也降低因為反應不均勻對設備造成局部腐蝕降低設備的使用壽命的風險。

（3）???? 氣液分離器結構設計

廢水經氧化塔反應后，產生的高溫高壓的氣液混合物由氧化塔流進熱交換器繼續給廢水原液加熱，為了增加熱交換效率，減少熱量損失，擬在原有的氧化塔和熱交換器之間增加氣液分離裝置，利用重力沉降原理，使氣液分離，然后利用分離出的液體繼續給廢水原液加熱，因為液體傳熱效率遠高于氣液混合物，所以熱量利用更加充分，提高廢水處理系統的效率。

（4）???? 接管端部環形蓋板壓形工藝

為了保證鈦蓋板、襯板與設備緊密貼合，計劃制作專用成形胎具。

方式：自主研發

技術路線：

（1）???? 產品設計研究、工藝研究和關鍵工藝試驗;

（2）???? 產品試制;

（3）???? 樣機檢驗檢測;

（4）???? 模擬工況實驗，技術方案改進;

（5）???? 產品鑒定。

五、項目完成后達到的技術指標、技術水平及采用標準情況

技術水平：

公司項目組將通過對水處理再生系統成套設備的材料選擇、結構設計、加工制造工藝等方面進行研究與開發，來實現國產化生產。項目研制成功后會達到降低生產成本，節能環保，延長使用壽命，提高裝置的生產效率和質量目標。該設備以其獨特的功能性和產品制造技術將達到國際先進水平。

采用的技術標準：

NB/T47041-2014《塔式容器》;GB/T150.1～GB/150.4-2011《壓力容器》;TSG21-2016固定式壓力容器安全技術監察規程。

六、國內外同類產品技術指標對比情況

國內外同類產品技術指標對比優勢：

1、節能熱量利用率高;2、反應充分設備壽命長;3、全封閉，無有害氣體外排;4、低能耗、低運行成本;5、COD去除效率高;6、沒有剩余廢水;7、占地面積小;8、產生的灰性質穩定，無浸出污染物;9、出水經過濾后可直接回用。

七、社會效益情況

草甘膦廢水處理系統成套設備研發的設計過程中，項目組將節能和環保與實際相結合，積極響應國家對于環保的號召，貫徹學習國家環保政策，執行國家環保標準;優化和改進結構設計、加工制造工藝等方面，創新開發具有自主知識產權。最終達到提高能源利用率，延長設備使用壽命，提高設備的生產效率和質量的目標。改造優化廢水無害化處理系統，極大提高水的回用率，為國家環保節能事業做出貢獻。