氨氣吹脫塔是污水處理方法研究

馮光銀 張玉婷

【摘 要】氨氣吹脫塔是污水處理過程中的一個重要設備，可以有效降低污水中的氨氮濃度，它的運行好壞直接影響到最終出水是否可以達標排放。要保證氨氣吹脫塔高效穩定運行，實現對氨氣吹脫過程優化控制。由于氨氣吹脫過程具有非線性、大滯后、慢時變的特點，在實際生產過程中難以對出水氨氮濃度進行在線測量。

【關鍵詞】氨氣吹脫；濃度；污水

污水處理過程是一類運行工況范圍廣的復雜工業過程，外部環境的改變對污水處理的影響很大，例如在同樣的工藝下，由于季節不同，導致污水溫度產生較大的波動，不同時間段的進水量和進水水質也會有很大的變化，在這種非線性、工況范圍廣、反應機理又比較復雜的情況下，常用的建模方法會導致模型在運行一段時間之后出現較大的誤差，表現出自適應能力差等問題[1]。

氨氣吹脫方法[2]在污水處理中的應用越來越多，一般作為高氨氮廢水的預處理。氨氣吹脫塔作為處理高濃度氨氮污水的一個重要設備，它的運行好壞直接影響到最終出水是否可以達標排放，因此對氨氣吹脫工藝進行深入研究，并利用軟測量技術對氨氣吹脫塔出水氨氮濃度建立相應的軟測量模型。

1 氨氣吹脫工藝原理及流程

1.1氨氣吹脫工藝原理

利用氨氣吹脫方法可以高效率去除污水中的氨氮，其基本原理是利用以下化學方程式[1].

NH3+H2O=NH4+OH-（1）

從式（1）中可以看到在污水中的氨氮主要以兩種形式存在：NH 4和NH3，由于NH：是具有揮發性的氣體，因此當pH值升高時，污水中OH-離子濃度增加，平衡過程向左移動，此時NH：所占的比例增大，利用空氣進行吹脫，便可以將NH：從污水中去除。

1.2氨氣吹脫工藝流程

一般利用石灰乳提高污水的pH值，當原水pH較低時，也會利用液堿進行更快速的pH調節，污水在輔流池經過沉淀，底部污泥進入石灰回收裝置，可以多次循環利用以降低生產成本，輔流池中的上清液進入氨氣吹脫塔進行高效的氨氣吹脫[3]。

氨氣吹脫塔的主要特點是在塔內裝有一定高度和數量的塔板，塔板上裝有蒸汽預熱管和空氣曝氣管，污水在經過了前期pH調節、污泥沉淀等處理后，通過進水流量泵進入氨氣吹脫塔，并從上至下依次順流通過各塔板，空氣由鼓風機從塔底送入，呈連續由下向上的與廢水逆流接觸。吹脫后的空氣通過管道排向下一個反應器中進行再一步氨氣回收處理，防止直接排向大氣而對環境造成污染。經過吹脫后的污水從塔底排出，流向下一工序，進行更深度的處理[4]。從圖2中可以看到，氨氣吹脫塔（C-001）為一個獨立的容器，共有4層。（E-001）為吹脫塔進水泵，通過進水閥門（D-001）的調節來控制吹脫塔的進水流量，可以通過流量計（F-001）讀取到實時的進水流量數據。污水從塔的上部噴灑到最上層塔板，并從上向下依次流過各塔板，這樣可以讓污水在塔內的停留時間達到最大化，吹脫塔內污水的pH值可以通過pH顯示表（F-003）進行讀取。

蒸汽發生器（E-002）通過對塔內的每一層塔板進行蒸汽預熱，使塔內的污水溫度也隨之升高，提升了氨氣吹脫的效率，現場中的吹脫塔每一層塔板都裝有熱電偶溫度計，通過一個數字顯示器可以對每一層的溫度進行實時的檢測，為了簡化模型，本文只對最下層（第四層）的溫度數據進行采集，因為污水在第四層的溫度最高也是出水溫度，這一層的氨氣吹脫效果也是最好的，對模型的貢獻率也是最大的。

氨氣吹脫塔的每一層中都裝有若干個帶有小孔的曝氣管道，鼓風機（E-003）通過源源不斷的吹入空氣，使每一層的污水與空氣進行一個逆流混合，做到充分曝氣，在堿性（pH> 12）環境下，除去游離的氨。

2 氨氣吹脫塔出水氨氮濃度的影響因素

影響氨氣吹脫塔出水氨氮濃度的主要因素有[3].

（1）pH值

通過對式（3.1）進行分析，氨氣吹脫塔處理效果隨pH值上升而提高，pH值與氨氮去除率的關系。

（2）塔內水溫

塔內水溫升高，氨氮去除率也隨之升高，這也是導致在不同季節，污水處理效果不穩定的原因之一。

（3）原水中氨氮濃度

當原水中的氨氮濃度增加時，氨氮去除率增加并不明顯，因此高濃度氨氮廢水如果要提高氨氮去除率，只能靠增加串聯吹脫塔的級數。

（4）水量負荷

水量負荷也是影響氨氮去除率的一個因素，一般來講，對于塔內填料高度為6米以上時，水量負荷不宜超過10m3/（m2.h）。國外設計水量負荷取3m3/（m2.h）左右，日本水量負荷與氨氮去除率的試驗結果如圖1所示，推薦的吹脫塔水量負荷為2.4-4.5m3/（m2.h）。

（5）氣液比

空氣量過小，會導致NH：無法及時從污水中吹脫掉；空氣量過大，會發生液泛（即污水被空氣帶走）現象，對生產造成不利影響，而且空氣量過大會增加處理污水的成本[5，6]。原水的水溫、氣液比與氨氮去除率的關系如圖6從圖中可以看出，當氣液比增加時，氨氮去除率提高，但實際生產中要考慮到工藝運行的經濟性以及防止污水液泛現象的發生，因此氣液比一般選為2500-5000為宜。實踐中估算了空氣的需求量，當pH=9.0，水力負荷為2.4-7.2m3/（m2.h）、氣液比為3590時，可以將90%以上的氨氮從污水中去除。

（6）污染物濃度

污水中的污染物濃度也會影響到氨氮去除率，因為污染物濃度過大會阻礙揮發性物質（如NH3）向大氣中擴散。對于低濃度污水通常采用常溫下用空氣進行吹脫，而高濃度污水則會利用蒸汽對污水進行預熱并同時用空氣吹脫。

除了以上分析的6個因素以外，在實際生產中，氨氣吹脫塔去除氨氮效率還要受到現場污水化學成分構成、設備運行時間、操作人員經驗等因素影響。例如，同等情況下對不同行業（如制藥行業、皮革制造業等）污水進行處理，其最終出水氨氮濃度也不盡相同。

3 結論

氨氣吹脫塔的工藝原理以及工藝流程，對影響出水氨氮濃度的因素進行了深入全面的分析。通過本章內容的介紹可以為我們在對氨氣吹脫工藝建模過程中，輔助變量類型選擇上提供很好的指導意義。

參考文獻：

[1]董陶.基于K-means聚類的軟測量建模研究[fD].無錫：江南大學，2013.

[2]宋劍杰.污水處理過程生化需氧量智能集成軟測量模型【J].自動化儀表，2011，32（10）：4245.

[3]郭根.基于LSSVM的鋁電解過程氧化鋁濃度軟測量建模研究[[D].長沙：中南大學，2014.

[4]楊小梅，劉文琦，楊俊等.基于分階段的LSSVM發酵過程建模[[J].化工學報，2013，64（9）：32623269

[5]王永鋒，黃思明，徐晶，等.一種通用的基于梯度的SVM核參數選取算法[J].數學的實踐與認識，2011，41（1）：713.

[6]趙新建，沈友文，徐俊.基于ACO算法的SVM核函數的參數優化【J].計算機工程與科學，2011，33（10）：126130.

（作者單位：山東華魯恒升化工股份有限公司）