氨吹脱技术在香港填埋场渗沥液处理中的应用

来源:热处理工艺问答作者:汪庆华


氨吹脱技术在香港填埋场渗沥液处理中的应用

1 引言 在生活污水中氨的浓度大约为 30mg/L,而在渗沥液中则可能达到数千 mg/L。在排放之前,必须去除氨是基 于以下几个原因: ①毒性 氮在废水中可以四种形态存在:有机氮,氨氮,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。有机氮和氨氮是生活污
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水中氮存在的主要形态。 NH3 对鱼类有毒性, 而

NH4 才无毒性。 当氨浓度在 2.5~25mg/L, 能使鱼致死(Klien, 1972)。随鱼的种类、水温、pH 和水中其他化学物质的不同,这些数值会发生变化。游离氨对鱼类有毒害 作用 NH 3+H =NH4 pH=7, pH>7, pH=12,
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仅有 NH4 存在, 反应向左, 仅有 NH3 存在。

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一般说, 水体中游离氨浓度不应大于 0.02mg/L。 ②氨由于硝化作用而消耗氧,会降低水中的溶解氧,导致其他水生物无法生存。 NH4 +2O2àNO3 +2H +H2O 氧化 1mg/L 的 NH4 -N 需 4.6mg/L 的氧。 ③氮化物是植物性营养物,会造成水中藻类异常繁殖,破坏自然环境。 ④水中 NO3 -N 浓度高时,婴儿饮用后有可能患变性血色蛋白症。 去除渗沥液中的氮通常可以经过生化反应去除,去除速率通常小于 1kg/(m 废水·d)。当土地有限、 氨的浓度非常高时,这种方法实际上是不可行的。 2 技术 2.1 选择吹脱的原因 去除氨有许多其他可行的方法,表 1 列出了这些技术的优、缺点。 表1 氨去除工艺特点比较
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从上表可以看出,折点加氯和离子交换都要求复杂的技术、较高的费用、有技术的管理人员。氨吹脱的缺 点通常认为主要是需要调 pH。实际上,氨离子转化为氨气受温度和 pH 的制约,单独提高温度就可以充分 完成这个转化。 氨氮在水中通常以两种形式存在:氨离子 NH4+和氨气 NH3。二者符合以下关系:

氨离子转化为氨气需要投加碱。上面已经指出:当水温升高时,游离氨的含量会增加(Srinath and Loehr, 1974)。氨在气相中的比例(用 f 表示)可以用下式表示:

温度和 pH 对 f 的影响如下图所示。

2.2 氨吹脱 氨吹脱包括大量的空气通过渗沥液,因此促使氨气由液相传递到气相中。很多学者详细地研究了这 项技术在渗沥液处理中的应用。通常遇到的技术难题是温度问题(eg. Damhaug and Jahren, 1981)。其他 学者认为氨吹脱塔需要大量的空气而使运行非常昂贵(Knox,1983)。当环境温度接近零度时,空气通过塔所 产生的风冷效果也认为是一个难题(Reynolds, 1982),通常温度会下降 5~6℃。 然而,填埋场内的沼气能量可使本工艺能够运行。填埋气能够用来提高渗沥液的温度,(通常提高到 65~ 75℃,处理 1 立方米渗沥液大约需要 450MJ 的能量,这大约相当于 25m 沼气(CH4 50%)),因此容易去 除氨,并且不会遇到早期研究者所提及的问题。温度提高不仅减少了冰冻的危险,而且会提高能够去除的 氨气量。 2.3 香港经验 经过大量中试和工艺评估,根据 Knox 等人的研究,吹脱工艺最终确定为香港 Went 填埋场氨氮去除 的核心工艺。此处理厂设计流量 1800m /d,1998 年开始运行。此工艺作为现有生化渗沥液处理厂的前处理 工艺,这是由于当规范要求总氮的排放标准要求更为严格了。随后,类似的工艺在 Tseung Kwan O 填埋场 应用,设计能力 220m /d。
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图 2 香港 Went 填埋场填埋气体和渗沥液处理装置

图 3 香港 Nent 渗沥液处理厂

在四个填埋场所采用的吹脱工艺新特点: ①工艺是在较高温度下进行的,减少了碱的投加量。 ②吹脱的氨被热氧化为氮气,而不是采用典型的酸洗工艺。 填埋气用来发电,并作为吹脱的热源和热氧化工艺的燃料。 实施中遇到的问题 考虑到采用工艺的先进特点,处理工艺达到了满意的去除效果是很自然的。 本工艺达到预期目标主要有以下几点关键的保证措施: ①气液比 这是一个关键参数。为保证吹脱塔在恒温下运行,需要提高空气的温度。因此需要采用蒸汽加热。当然, 存在需要蒸汽量的极限,这是一些基本参数如填埋场气体收集系统和锅炉的大小的函数。在实施中,做了 大量有关气液比的测试。然而,最佳比值比想象的要低,且可以达到 98.5%的氨去除率。 ②蒸汽、空气混合

当蒸汽与空气混合时,存在一定的反应时间。在锅炉进口前,当燃气与空气混合,若混合不充分或者接触 时间不够,最终的混合也将不充分。在空气与蒸汽混合的情况下会导致冷凝和低温度下的饱和空气,这并 不是所需要的。调整蒸汽、空气的混合以提高接触时间,达到设备内所能达到的最优混合。 ③工艺控制 对于过程控制需要相当注意,比如设备的启动与关闭。当然,工艺需要因地制宜而改变。 ④吹脱塔、冷却塔合建情况 在 Went 处理厂中,尽管空间有限,但是仍有足够的地方来设置单独的冷却塔和吹脱塔。虽然这种分建式 使设计计算简单明了, 但随之带来的从一个塔到另一个塔的输送问题带来了一定难度。 而对于 Nent 处理厂, 地方非常有限,以至于吹脱塔、冷却塔分建根本就不可行, 因此需要将二者合建。 ⑤热控制 引入的最重要改进可能算是处理厂内的热控制方法。设计理念是设置标准的火炬,气体以恒定流速进入燃 烧器,而通入的空气量变化,以保证常温。考虑到空气吹脱工艺特性,有许多热传递再次发生,这种方式 会带来处理系统的不稳定性,解决方法是按照标准锅炉的流程来运行处理厂。这样,气流速度变化,负荷 维持不变。其他的热传递在试运转时确定下来。这种方法使使整项技术的运行大大简化。 处理效果 运行效果有两个重要方面:氨吹脱的程度和从氨燃烧过程中排放值。 表2 氨气热处理器排放值

气体 甲烷 氨气 NO NO2

原浓度 50 % 91,573 mg/m 3.7 mg/m 3.8 mg/m
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出口浓度 <0.002 % 47 mg/m 9 mg/m
3

去除率 99.996 % 99.994 %

3

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17 mg/m

3

所有数据都已经校正到 1,013 mbar, 3% Oxygen and 0 C 的干气体情况。 Nent 和 Went 的氨排放浓度控制:在进口浓度为 6,700 mg/l 时排放浓度小于 100 mg/l。实际上如果当处理 厂在最佳状态下运行时,排放值小于 50 mg/l。在 Tseung Kwan O 填埋场,渗沥液浓度较低,吹脱塔的高 度较小,但是也取得了类似的处理效果。尾气处理的详细分析如表 2 所示。可以看到,NOx 在热处理器中 不会产生,氨转化为了氮气和水。 3. 小结

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利用吹脱技术去除填埋场渗沥液中的氨是一项可行的技术, 特别适用于建设有填埋气体发电站的场合,其主 要优点是占地面积小,氨去除效果好。


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