吹脫-吸附工藝處理高氨氮脫硫廢水應用研究

張 攀

(中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引 言

石灰石-石膏濕法是我國電廠尾氣脫硫的主要處理工藝，而脫硫塔定期排出的廢水中含有懸浮物、微量重金屬、亞硫酸鹽、氨氮等污染物。隨著尾氣中氮氧化物排放標準的提高，一些項目的SNCR或SCR脫硝系統中投入了過量的氨水。過量的氨水在煙道內蒸發轉化成氨氣，與氮氧化物進行反應，提高了脫硝效率。同時，未完全反應的過量氨氣隨空氣進入下游的脫硫塔，經過漿液噴淋后，融入脫硫塔漿液中再進入脫硫廢水，造成脫硫廢水中的氨氮濃度嚴重超標。目前，國內的脫硫廢水處理工藝分為傳統的中和絮凝沉淀工藝和深度處理工藝[1-4]，如膜濃縮后蒸發結晶、煙道噴霧干燥。傳統的脫硫廢水處理系統采用中和絮凝沉淀工藝，并未考慮對氨氮的去除。若采用膜濃縮蒸發結晶技術，高濃度的氨氮嚴重影響反滲透膜的正常運行，增加了反滲透裝置的投資及運行成本。同時，采用蒸發結晶工藝時蒸發裝置的投資及運行成本高，蒸發結晶裝置易結垢、腐蝕。若采用煙道噴霧干燥，揮發出的氨氣又回到了廢氣中，在脫硫系統中循環。

1 某熱電廠脫硫廢水高氨氮處理系統

1.1 工程概況

浙江嘉興某熱電有限公司采用石灰石-石膏濕法脫硫、SNCR+SCR聯合脫硝。旋風筒入口煙氣溫度約為650 ℃，由于煙氣溫度低于脫硝反應需要的溫度，造成脫硝效率偏低，故通過提高氨水的噴射量(150～200 L/h)來提高脫硝效率。過量的氨水在煙道內蒸發轉化成氨氣，與氮氧化物進行反應，提高了脫硝效率，未完全反應的過量氨氣隨煙氣進入下游的脫硫塔。經過漿液噴淋后，融入脫硫塔漿液中，造成脫硫塔漿液中氨氮的濃度達到了1 400～1 500 mg/L。廠區建有傳統的脫硫廢水中和絮凝沉淀處理系統，但無法去除廢水中的氨氮，氨氮濃度需要降低到200 mg/L以下才能排入工業園區的廢水處理廠。

該公司脫硫廢水處理系統的設計進出水水質指標詳見表1，出水污染物指標滿足《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質控制指標》(DL/T 997—2006)及工業園區廢水處理廠對脫硫廢水出水的接收要求。

表1 設計進出水水質指標

進水氨氮、懸浮物濃度高，呈弱酸性，氯離子濃度高。綜合比較生化法、折點氯化法、離子交換法等工藝，因廢水中缺少微生物生長的碳源，無機鹽分高，故采用生化法運行困難。折點氯化法和離子交換法需要消耗大量的次氯酸鈉和吸附材料，運行成本很高。因此，考慮在原有脫硫廢水處理系統上進行改造，加裝一套吹脫-吸附氨氮處理裝置，作為脫硫廢水處理系統中的一部分，與原有廢水系統串聯使用，使得原有脫硫廢水裝置具有了脫除氨氮的功能。

1.2 工藝流程及技術特點

原有脫硫廢水處理系統采用的是中和絮凝沉淀工藝，建設有廢水緩沖罐、三聯箱、濃縮澄清池、清水罐。改造后在濃縮澄清池后端、清水罐前端加裝一套吹脫-吸附氨氮處理裝置。高濃度的氨氮廢水經過廢水收集罐后進入三聯箱，通過加堿將pH值調整至10～11，使廢水中的氨氮能夠更好地游離。在三聯箱內加入絮凝劑和助凝劑，使得廢水中的懸浮物形成絮凝物，在下游沉淀池內沉淀。上層清液溢流進入循環罐，在循環罐內與蒸汽進行熱交換，溫度加熱到35～45 ℃。隨后進入1#吹脫塔內的噴淋系統，噴淋出來的液滴與從吸附塔出來的循環空氣進行第一次吹脫。經過一次吹脫后的廢水輸送至2#吹脫塔內的噴淋系統，噴淋出來的液滴與從吸附塔出來的循環空氣進行第二次吹脫。吹脫后的廢水進入二級沉淀池，隨后溢流清液流入清水罐。處理后的廢水被送入后續其他的處理系統進一步處理，確保最終水質滿足相應的排放要求。整個系統占地約10 m×15 m。改造后處理工藝流程詳見圖1。

圖1 改造后廢水處理工藝流程圖Fig.1 Process flow of wastewater treatment after transformation

因廢水中氨氮濃度很高，本裝置設置了兩級吹脫塔，可以取得更好的氨氮處理效果。在循環罐中，把水蒸氣通入廢水中，提高廢水的溫度至40～50 ℃。再通過高壓噴嘴霧化噴淋，在吹脫塔內逆向與循環空氣接觸。廢水中的氨氮被吹脫出來，再以氨氣的形式被循環空氣帶走。系統的特點為：采用二級吹脫塔，更適合高氨氮廢水的處理；吹脫—吸附氨氮處理裝置在單個吹脫塔內的停留時間為5～8 min；相對于開放的氨氮吹脫系統，氨氣將在三個塔內循環，廢氣不會排入環境造成二次污染；氨氣吸附在除鹽水中，可輸送至廠區的脫硝除鹽水罐，吸附的氨氣得到了回收利用；兩級吹脫塔采用旋流板塔，避免了填料塔的結垢堵塞；噴嘴采用大通徑噴嘴，具有防止堵塞的特點。

1.3 關鍵設計參數

項目的設計關鍵參數有塔直徑、氣液比等，詳細設計參數見表2所示。

表2 設計基本參數

在設備選型的關鍵參數中，吹脫塔塔徑的選取非常重要，影響到工程的造價和處理效果。塔徑選擇偏小會提高空氣流速，造成空氣停留時間短、除霧器除霧效果差，空氣流速低時塔的直徑大、造價高。綜合考慮后，吹脫塔和吸附塔的直徑取1.5 m。其次是液氣比的選取，氣液比過高會增加風機的風量進而增加項目造價，也會消耗更多的熱能，液氣比小會影響氨氮的脫除效果，故本項目取氣液比為3 000∶1。然后是吹脫塔的選型，常見的吹脫塔有填料塔、旋流塔、文丘里管塔等。本項目吹脫塔選用旋流塔，不設填料，避免了填料層的結垢、堵塞。吸附塔除鹽水噴淋吸收氨氣，選用了吸附效率更高的填料塔。另外，本項目噴嘴采用的SMP實心錐噴嘴，具有通徑大、不易堵塞的特點，設計的雙層噴淋提高了噴淋的覆蓋率。

在運行參數的設計方面，主要的參數為pH、水溫等。周明羅等[11]研究表明吹脫效率隨pH值的升高而增大，氣液比越大，氨吹脫傳質動力也越大，其吹脫效率也越大。綜合工藝要求及防止水垢生成，故廢水pH值控制在10～11。此外，溫度也會影響氨離子和游離氨的平衡，溫度升高有利于氨氣的析出。但過高的溫度，消耗更高的蒸汽且塔內結垢情況嚴重，因此，通過蒸汽調節閥水溫控制在35～45 ℃。

2 運行效果及成本分析

2.1 運行效果

該工程于2019年10月完成調試，然后進行了7天總共168小時的試運行，測量的主要參數為廢水日累計處理量(取自廢水提升泵出口流量計)、出水氨氮濃度。日累計流量為80～110 m3/d，平均日處理量為95.8 m3/d，達到了設計的處理量要求。試運行期間氨氮去除效果詳見圖2所示。

注：①取廢水緩沖罐水樣作為入口水樣，2#吹脫塔出口水樣作為出水水樣；②每天上午下午各人工測量兩次出水氨氮數據圖2 試運行期間氨氮去除效果Fig.2 Removal efficiency of ammonia nitrogen during trial operation

由圖2可知，試運行七天的出口氨氮濃度均低于排放要求的200 mg/L。第一天初始的氨氮濃度為1 506.2 mg/L，出水氨氮的濃度最高，最高一次測量達到了150.4 mg/L，氨氮去除效率為90%。第六天、第七天出水氨氮的濃度最低，為40.3～50.4 mg/L，出水氨氮濃度降低是因為原始氨氮濃度的降低。隨著廢水系統的運行，脫硫塔里的高氨氮廢水逐漸排出，工藝水不斷補進，脫硫塔內的漿液氨氮濃度也呈下降趨勢。在運行到第四天時，脫硫塔內的氨氮濃度降到了1 305.4 mg/L，此時的氨氮出口濃度為45.2 mg/L，氨氮去除效率為96.54%。在運行到第七天時，脫硫塔內的氨氮濃度降到了802.7 mg/L，此時的氨氮出口濃度為50.1 mg/L，氨氮去除效率為93.75%。在七天試運行期間，入口水樣的氨氮濃度為1 506.2～802.7 mg/L，處理后出水氨氮濃度為40.3～150.4 mg/L，氨氮的脫除效率為90%～96.54%。結果表明，采用二級吹脫塔處理高氨氮脫硫廢水，脫除效率達到90%以上，出水指標遠優于工業園區廢水處理廠對脫硫廢水出水氨氮濃度200 mg/L以下的指標要求。

此外，對吹脫塔壁和底部進行檢查，沒有發現大塊的硬垢產生，但出水中含有大量的細小白色沉淀物，是因為廢水中的鈣鹽、鎂鹽在加熱堿性條件下生成了Ca(OH)2、Mg(OH)2等沉淀，懸浮在廢水中。這些沉淀通過吹脫塔后設置的二級沉淀池和精密過濾器被去除。選用的SMP噴嘴，未發現噴嘴堵塞，但碳化硅材質的噴嘴出現了破損，使得出水氨氮濃度在短時間內出現了增高，替換備用噴嘴后恢復正常。吸附氨氣后的除鹽水，通過噴淋泵連續輸送至脫硝除鹽水箱回收利用。

2.2 成本分析

試運行階段共運行七天，七天內噸水處理費用詳見表3。

表3 試運行期間噸水處理費用

藥劑主要包括液堿、PAC、PAM，藥劑費用為6.95元/t，電費為5.65元/t，蒸汽費用為5.19元/t，人工費4.15元/t。同時，吹脫-吸附聯合工藝將脫附的氨氣重新吸附到除鹽水中，使得氨氣得到了利用，產生了一部分經濟利益。七天回收約氨水共145 t，產生經濟效益為4.15元/t。總運行費用減去氨水收益，得到處理每立方米脫硫廢水的總費用為14.84元。

3 結 論

(1)在嘉興某熱電廠已有的廢水處理設備基礎上，于濃縮澄清池和清水罐之間加裝一套配有兩級吹脫塔的吹脫-吸附氨氮處理裝置，該系統具有了脫除氨氮的功能。

(2)投運后的試運行結果表明：濃度為1 506.2 mg/L的高氨氮脫硫廢水，經過廢水處理系統及新增的吹脫-吸附氨氮處理裝置后，出水氨氮濃度為40.3～150.4 mg/L，出水氨氮指標滿足《火電廠石灰石-石膏濕法脫硫廢水水質控制指標》(DL/T 997—2006)及出水接收單位對廢水的氨氮濃度的要求。

(3)廢水中脫除的氨氮吸附在除鹽水中被脫硝系統回收利用，每噸廢水處理費用由18.99元降低到14.84元。