基于循環氨水的廢水處理工藝優化

＊何華 李華 白曄霖

（神華巴彥淖爾能源有限責任公司 內蒙古 015300）

引言

隨著工業化和城市化的不斷發展，為了減輕廢水排放對生態環境的不良影響，傳統的廢水處理方法得到了廣泛應用，這些方法包括化學沉淀、生物處理、物理過濾等[1]。然而，這些傳統方法在處理高濃度、難降解廢水時存在效率低、處理成本高、產生大量廢渣等問題，迫切需要進行改進和優化[2]。因此，本研究的目標是通過對循環氨水廢水處理工藝的優化，進一步提高其廢水處理效率，降低處理成本，從而為廢水治理提供一種更為可行和可持續的解決方案。

1.循環氨水的廢水處理工藝概述

(1)循環氨水廢水的產生與特性

循環氨水廢水是一種在多個工業領域中產生的特殊類型的廢水，其主要成分是氨氮和其他污染物（如硫化氫、硫醇、甲醛、尿素等）[3]。該廢水通常由以下過程中產生：肥料生產、畜牧業的污水、食品加工中的廢水排放以及氨氣脫除過程中產生的液體廢棄物。循環氨水廢水的主要特點之一是高濃度的氨氮含量。氨氮是一種有害污染物，對水體生態系統和人類健康造成不良影響[4]。除氨氮外，循環氨水廢水還含有有機物、懸浮物、重金屬和其他污染物。這些成分的種類和濃度因廢水來源而異，因此需要不同的處理策略來去除或降低它們的濃度。在某些情況下，循環氨水廢水可能具有相對高的鹽度（1～18g/L），會影響廢水處理工藝的效果，尤其是在冷卻水循環系統中。

(2)傳統廢水處理工藝分類

傳統廢水處理工藝可根據處理方法和原理進行分類，通常包括物理處理、化學處理和生物處理等主要類別[5]。

①物理處理：物理處理是一種通過物理性質來分離或去除廢水中污染物的方法。其中包括沉淀、過濾、膜分離和吸附等過程。例如，沉淀通過重力使固體顆粒在廢水中沉積，以去除懸浮物和部分溶解性污染物。膜分離使用半透膜或微孔膜來分離溶質和溶劑，常用于去除微生物、微粒和有機物。物理處理方法通常用于初級廢水處理，用于去除廢水中的大顆粒物質。

②化學處理：化學處理依靠添加化學試劑來改變污染物的性質，使其沉淀去除。常見的化學處理涉及廢水調節、預處理和反應池階段，通過添加化學藥劑，如混凝劑和絮凝劑，來改善水質。這些藥劑有助于聚集和沉淀廢水中的污染物，從而便于后續處理（如圖1）。

圖1 化學處理工藝流程

③生物處理：生物處理是一種利用微生物活動來降解廢水中有機物和氮氣的方法。生物處理通常包括活性污泥法、生物濾池、生物膜反應器等。這些過程提供了一種環保、經濟高效的方式來降低廢水中的有機負荷和氨氮質量濃度。生物處理在二級廢水處理中廣泛應用，可有效去除廢水中的生化需氧量和氨氮。

2.傳統循環氨水的廢水處理工藝存在的問題

(1)處理效率低，難以達到排放標準

傳統循環氨水的廢水處理工藝主要是生物法，利用微生物的硝化和反硝化作用將氨氮轉化為氮氣。但是，這種方法需要較長的反應時間，對溫度、pH、溶解氧等環境因素敏感，容易受到抑制或失活。當溫度低于10℃時，硝化菌的活性會顯著降低；當pH低于6.5或高于8.5時，硝化和反硝化的速率會減慢；當溶解氧低于2時，硝化作用會受到限制。此外，由于循環氨水中含有大量的殺菌劑、阻垢劑等化學物質，會影響廢水的可生化性，降低生物法的處理效率。這些化學物質不僅會抑制或殺死微生物，還會干擾微生物的代謝過程，導致氨氮的積累或有機物的殘留。

(2)運行成本高，耗能耗碳

傳統循環氨水的廢水處理工藝需要大量的曝氣設備，提供足夠的溶解氧和混合條件。這會導致較高的電力消耗和設備維護費用。根據統計，曝氣設備占生物法總能耗的60%～80%，而且曝氣設備的壽命一般只有3～5年。曝氣設備主要包括：鼓風機、曝氣管道、曝氣頭等部件，在運行過程中會產生較大的噪音、磨損和堵塞，需要定期更換和清洗，增加了人力和物力的投入。同時，由于生物法需要外加碳源作為反硝化菌的電子供體，還需要投加磷酸鹽、鎂鹽等營養物質，增加了原料成本和化學藥品消耗。一般來說，生物法每去除1kg氨氮需要消耗4kg碳源和0.2kg磷酸鹽。碳源通常是甲醇、乙醇、葡萄糖等有機物，它們不僅價格昂貴，還會增加二氧化碳的排放，造成溫室效應。這些化學藥品的使用不僅會增加廢水處理的運營費用，還會對廢水的水質和污泥的性質產生一定的影響。

(3)污泥產量大，處理難度高

傳統循環氨水的廢水處理工藝會產生大量的活性污泥，這些污泥含有較高的含水率和有機物含量，不易脫水和穩定。污泥的處理和處置需要占用較大的土地面積，造成二次污染和資源浪費。據估計，生物法每去除1kg氨氮會產生0.8～1.2kg干污泥。這些干污泥的含水率一般在70%～80%，需要經過壓濾、干燥等工序才能達到合格的固體廢物標準。污泥的處理和處置不僅占用了大量的設備、能源和人力，還會產生大量的溫室氣體、惡臭氣體和重金屬等污染物，對環境造成了嚴重的負擔。此外，污泥中還可能殘留有未完全降解的粘泥剝離劑有害物質，通過污泥滲濾液、污泥堆肥進入地下水或土壤中，造成長期的生態風險。

3.循環氨水的廢水處理工藝優化應用

在循環氨水廢水中，主要涉及氨氮、硫酸銨、硫酸等污染物。其中，氨氮的質量濃度一般在1000～3000mg/L，硫酸銨的質量濃度一般在2000～5000mg/L，硫酸的質量濃度一般在100～300mg/L。這些污染物不僅對環境造成危害，還造成資源的浪費。因此，開發高效、節能、環保的循環氨水廢水處理工藝具有重要意義。

(1)處理工藝流程

內流式循環脫氮塔裝置是一種利用汽提、吸收循環優化工藝組合，從高濃度氨氮廢水中回收硫酸銨產品，并實現工藝和熱集成的方法。其工藝包括原水池、混合器、預熱器、脫氨塔、稀硫酸吸收段等設備和步驟。通過塔板和化學物質的作用，廢水中的氨逐漸被分離出來，得到氨含量低的廢水。同時，通過循環利用蒸汽和化學物質，實現能量和資源的節約，流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

①在該工藝中，通過內流式循環脫氮塔，實現了對循環氨水廢水的高溫高壓汽提處理。內流式循環脫氮塔是一種具有多層內流式塔板的垂直塔體，其上部設有汽提進口，下部設有廢水進口和汽提出口，中部設有冷卻水進口和出口。在塔內，廢水與載氣（水蒸汽）混合后沿塔板向上流動，在高溫高壓下，使廢水中的氨氮以游離態或氨水形式進入汽相。同時，冷卻水沿塔板向下流動，在與汽相進行逆流接觸的過程中，使汽相中的氨氮被冷卻水吸收，形成低濃度的氨水溶液。該溶液經過熱交換器后進入吸收塔，在吸收塔中與硫酸反應，生成硫酸銨溶液和水蒸汽。汽提出水則經過熱交換器后達標排放或回用。

②在吸收塔中，能夠通過冷卻水的加入，對汽相中的氨氮進行吸收，并且經換熱器，在達標之后進行排出。同時，在吸收塔中，通過硫酸的加入，對吸收液中的氨氮進行反應，并且經結晶、離心、干燥等工序，在得到硫酸銨產品之后進行排出。吸收塔是一種具有多層填料的垂直塔體，其上部設有冷卻水進口和出口，下部設有硫酸進口和出口，中部設有吸收液進口和出口。在塔內，冷卻水沿填料向下流動，在與汽相進行逆流接觸的過程中，使汽相中的氨氮被冷卻水吸收，形成低濃度的氨水溶液。該溶液與硫酸混合后發生反應，生成硫酸銨溶液和水蒸汽。硫酸銨溶液則經過結晶、離心、干燥等工序后得到硫酸銨產品。水蒸汽則返回內流式循環脫氮塔作為載氣，實現熱量的回收利用。

(2)工藝處理效果

高氨氮廢水進入原水池后，通過原水提升泵送入管道混合器，在其中加入液堿調節pH值至12以上，使氨氮以游離態存在。然后，廢水提升泵將氨氮廢水經過板式換熱器預熱至設定溫度后，進入內流式循環脫氮塔的蒸汽脫氨段。在此段中，廢水自上而下經過S型復合篩孔塔板，與塔底上升的新鮮蒸汽和循環蒸汽逆流接觸進行質量交換，使廢水中的氨由液相轉化為汽相，并被高效分離出來。脫氨塔底部得到的脫氨廢水含有低于100mg/L的氨氮。接著，脫氨后的廢水由塔釜出水泵經過板式換熱器與提升泵的原氨氮廢水換熱，回收利用其中的熱量后排出。同時，從脫氮塔蒸汽脫氨段排出的含氨蒸汽經過與塔頂噴淋下來的30%左右的稀硫酸反應，吸收其中的氨，生成25%左右的硫酸銨溶液。凈化后的蒸汽由蒸汽循環機送回脫氮塔循環使用。最后，硫酸銨循環吸收段的酸性硫酸銨溶液一部分繼續進行循環吸收，另一部分分流產出。

在此過程中內流式循環脫氮塔內添加了硝化菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌等微生物菌種，通過生物反應將氨氮轉化為無機氮和有機氮，實現了氨氮的生物脫除和回收。該塔的進水量為100m3/h，進水pH為9.5，進水溫度為35℃，進水氨氮質量濃度為2000mg/L，出水氨氮質量濃度為300mg/L，出水pH為8.5，出水溫度為40℃。吸收塔的進水量為100m3/h，進水pH為8.5，進水溫度為40℃，進水氨氮質量濃度為300mg/L，進水硫酸銨質量濃度為3000mg/L。在吸收塔中，含有硫酸銨溶液和稀硫酸溶液的廢水與20%的硫酸溶液進行反應吸收，在其中生成了低濃度的硫酸銨溶液和低含量的游離態氨。吸收塔的出水pH為7.0，出水溫度為45℃，出水氨氮質量濃度為10mg/L，出水硫酸銨質量濃度為0.1g/L。

因此，在循環氨水廢水處理中，內流式循環脫氮塔裝置的應用，改變了傳統循環氨水廢水處理模式，充分發揮了內流式循環脫氮塔和吸收塔的工藝優勢，極大地提高了循環氨水廢水處理效果。

4.結語

總之，通過優化循環氨水廢水處理工藝，可以有效減少對環境的影響，實現工業和環保的雙贏。這不僅有利于改善生態環境質量，還將為未來的可持續發展打下堅實的基礎。因此，在廢水處理領域進行持續的創新和改進是非常必要的，以迎接更清潔、更健康、更可持續的明天。