空气吹脱法联合催化氧化法处理堆肥设施的高氨氮废水VIP

Treatment of High AmmoniumNitrogen Wastewater from Composting Facilities by Air Strippingand Catalytic OxidationYu Wang Markku Pelkonen Mikko Kotro空气吹脱法联合催化氧化法处理高氨氮堆肥废水YU Wang, Markku Pelkonen, Mikko Kotro40摘要城市污水污泥堆肥可产生含高浓度氨氮（NH4N）的堆肥废水（酸洗废水和管道废水），这种废水每天的产生量相当小。现开发出一套空气吹脱联合催化氧化法综合处理来自堆肥设施的高氨氮废水流程，并已做了中式规模和全负荷的测试。空气吹脱试验中NH4N脱除率稳定在90%左右，最高脱除效率达到98%。建立了一个表示吹脱过程效率的模型，可用来优化试验流程。催化氧化后，排放气中的NH3, NOX, NO2和N2O气体浓度都已达标，但是NH3和N2O浓度限制了可处理的负荷范围。处理过程的成本已做了详细的预算。结果显示空气吹脱联合催化氧化法可以用来处理堆肥设施产生的废水。关键词：污水处理 堆肥过程 氨氮废水 吹脱 催化氧化 排放气 成本 能量守恒1 引言自从19世纪30年代早期第一次有组织的堆肥操作之后，堆肥处理已经作为有机废物的常规处理方式得到广泛地应用。但堆肥处理会在一定程度上将固体污染问题转移到空气和水污染。堆肥设施产生的污水主要由酸洗废水和管道废水组成。酸性洗涤水是控制堆肥设施中的臭气和受污染空气的酸洗设备产生的集中废水。通常中等规模的堆肥设施产生的酸洗水的量较小，但氨氮(NH4N)含量极高，尤其是一些城市污水污泥的堆肥设施。相对而言，管道污水的排放量较大，但NH4N浓度较低。在对两个堆肥厂做该项研究的初步调查阶段中，发现酸洗水仅占堆肥污水总量的9%左右，但却提供了7075%的NH4N量。另一方面，COD含量相对NH4N而言很低，这就导致了堆肥废水的COD/N(C/N)比率极低。堆肥污水一般的处理方式是将其输送至城市污水处理厂。但由于高浓度的NH4N，这种做法可能会导致城市污水处理厂的氮负荷相当大，和堆肥厂的高额污水处理费用。因此，一些中型的堆肥设施需要一个简单、经济而且能有效的去除原污水中的NH4N的处理流程。一些替代技术可以用来脱除废水中的NH4N，如生物硝化-反硝化法、化学沉淀法和空气吹脱法。生物脱氮法和蒸氨法被认为是处理NH4N含量约为50mg N/l或更低的城市污水最经济的方法1。同时，生物硝化-反硝化技术也是当前对更集中的污水脱氮最流行的技术之一。例如，一个报道过的具有工业规模的工厂运用生物膜法和膜后处理法处理初始NH4N含量在1000 mg/L内的垃圾渗滤液2。另一个报道过的案例是一家处理厂用悬浮微生物法处理初始NH4N平均含量为1200mg/L的污泥废水3。Terada等人4报道过一个处理的NH4N浓度更高的案例，他们研究了中式规模的膜曝气生物膜流程处理NH4N含量为3000mg/L的猪场废水。看起来生物硝化-反硝化法工业规模地处理NH4N含量远低于2000mg/L和C/N高的（如高于7.0）污水是可行和经济的5。从生物技术的角度来看，处理NH4N浓度更高的废水并不是完全不行。只是要提高稀释程度，延长停留时间，加入更多的碳源，这就影响了处理流程的经济性。因此，对于NH4N含量远超过2000mg/L而可降解COD含量较低的污水，生物硝化-反硝化法是不大可行的。铵化合物的沉淀可用来生产磷酸铵镁做肥料。这种方法适用于铵离子和磷酸盐含量较高的污水。Gunay等人6向初始NH4N含量为2700mg/L的垃圾渗滤液中外加Mg和PO4研究铵沉淀法。结果得到了良好的NH4N去除率，但残留磷酸盐浓度很高。对于堆肥废水，所有用来沉淀铵离子的磷酸盐都需要外加，最后还要解决废水中磷酸盐高残留问题。而且，此法化学成本相当高。空气吹脱法已经在城市污水7和一些更集中的污水如污泥废水8的NH4N脱除中得到应用。据报道，空气吹脱流程中的NH4N脱除效率为50-90%7，最高达到98%9。空气吹脱法通常需要很高的温度和pH以提高气态NH3的比例和降低空气的需求量。一般在处理大量的废水时是用外界空气吹脱的。据报道由于风冷效应，外界空气温度会影响空气吹脱中的NH4N脱除效率。若无空气加热，通常会有56的降温10。但可以用沼气（或填埋区沼气）作为加热能源，因为在垃圾处理厂很容易获得沼气。Collivignarelli等人11研究了利用泡沫反应器，以空气吹脱法处理NH4N浓度约为2000 mg/L的垃圾渗滤液，并且建立了一个数学模型，做了经济性评估。他们发现相比于投资费用，空气吹脱的运营成本是明显占主要部分的。而且最可行和经济的操作条件是在较高的温度范围内。当达到90%的NH4N脱除率时，最经济的操作范围是pH为9.2，和一个较高的温度，如70。当pH升至11时，最经济的温度范围降至3050。但是高pH条件又导致了吹脱过程中的於渣的生成，额外的污泥处理费用增加了运营成本。因此，在空气吹脱中最经济的选择取决于污水的特性，如碱度和沉淀物的含量。对于来自堆肥设施的污水，其特性和当地条件决定了空气吹脱的可处理性和经济上的可行性。一个很重要的特性就是通常其污水流量比一些如垃圾渗滤液要小的多。此外，还必须考虑对吹脱流程产生的废气的处理。当采用空气吹脱法时，将氨气（NH3）从吹脱后的空气中分离出来的技术是必需的。有很多将NH3从吹脱后的空气中分离出来的成熟技术已经被研究并应用到了工厂。对于NH3浓度较低（1000ppm）的废气，生物处理、生物过滤和酸洗都是目前应用得最广泛的技术。但酸洗法在未来不具有吸引力，因为其副产物(NH4)2SO4作为肥料时会引起严重的土壤酸化并降低土壤效率1。而对于处理高NH3废气，生产液态纯氨、氧化燃烧和催化氧化都已得到广泛应用。Eden 9研究了垃圾渗滤液的NH4N吹脱，并以填埋区沼气燃烧吹脱产生的废气。结果显示出口气体中的NH3和NOx浓度分别低于70和30ppm，其中NH3脱除率超过了99%。但是氧化燃烧的一个不利因素就是其反应器的体积比催化氧化反应器的体积要大得多。从概念上讲，空气吹脱法是将污染物从废水中转移至气相中的流程。而废气处理的最终目的是从根本上脱除氨，而不是将将其重新转化为液态。从这个角度来看，催化氧化法是脱除空气吹脱法产生的废气中的氨气的最具吸引力的途径。催化氧化法已被广泛的用来净化内燃机排放的废气中的CO、HC和NOx，处理烟道废气中的CO、PAH、NOx 12和含氯有机物13。虽然上世纪20年代催化反应机理已开始得到研究，但相对来说，有选择性的催化氧化NH3还是一项新技术。在这种反应过程当中，NH3被选择性的氧化成N2。这就为处理NH3含量较高和较低的排放气提供一种稳定、有效而又简单的净化方法。这种方法也适合小规模的应用1。但是在低温范围内（500C），催化氧化的选择性不完整，NO和N2O也会在加入多种金属催化剂的作用下生成。由于缺乏适当的数据，此项工作的出发点是研究吹脱废气中NH3的催化氧化，试验中用到的具有工业规模的催化装置原本是用来脱除挥发性有机物的。金属Pt和Pd为常用的催化剂。研究发现用这些金属催化剂催化氧化NH3是合理的。Pd做催化剂的选择性比Pt要高，Pt催化剂导致了更多的N2O气体的生成。因此，研究不同条件下处理空气吹脱法产生的废气的流程的性能是有价值的。此项研究的主题在于分析空气吹脱法联合催化氧化法对高NH4N堆肥废水进行NH4N脱除的可行性，并在考虑到成本和减排要求的情况下找到最优化流程和可行的操作条件。2 设备和方法此项研究的试验部分分别在两套独立的堆肥设施A和B上进行，其处理能力都为2000035000 吨/年。设施A作为一个城市污水处理站的污泥废水处理器，而设施B同时处理城市污水和城市污泥废水。这两套设施的氮负荷量分别与4000和7000人口的城市污水处理站负荷相当。在设施A上以不同的pH和温度组合做了共8组测试。在这些测试当中，有6组测试用来自设施A的污水，2组用来自设施B的污水。然后，再转移到设施B上做第二阶段的研究，专门测试催化焚烧炉的性能。因此这个阶段检测的只有气态样品。试验以这两个堆肥设施产生的酸洗废水作为进液。酸洗废水中的NH4N和COD的初始浓度分别为20000 60000mg/L和2050mg/L不等。然后稀释酸洗废水，控制试验用的NH4N浓度，用以模仿酸洗废水和管道废水的混合物。稀释之后，进液NH4N浓度在2800mg/L5500mg/L范围之内。而且，一份进液NH4N浓度极高，超过13000mg/L的液体样品也参与测试。试验流程主要由两部分构成：一个空气吹脱反应器和一个催化氧化反应器，如图1 所示。空气吹脱反应器是一个具有1.0m3有效容积和1m2底面积的立方体密封罐。在试验中由一个pH调节器不断地加入50%NaOH，以保持pH的稳定。足量的空气在预热后，由反应器底部的6根扩散管喷入反应器，平均流率为70 Nm3/h。由于如此高的吹脱气液比，吹脱NH4N过程中的气相传质效率的限制可以忽略。用一个改造过的Ehovoc Oy公司生产的挥发性有机物催化焚烧炉做为催化氧化反应器（图2）。这个系统由两个交替模块构成，每个模块都有两个串联催化单元。第一个单元是一个氧化单元，第二个单元是一个普通的Pt/Pd催化单元。氧化单元使用的Pt/Pd催化剂较少。设施A和B额定最大处理负荷为500Nm/h，最佳操作温度分别为32030C和35030C。加热系统只在启动阶段工作，功率为14.2kw。大多数时间里，焚烧炉工作不需要外部加热。工作时，监测数据自动地被记录并由全球移动通信系统（GSM）传送给研究人员。图 1 流程示意图图 2 催化氧化用到的挥发性有机物催化焚烧炉每次的试验周期为48小时。操作温度分为3个系列：低温30C、中温40C、高温50C。类似的，操作中的pH值分为：8.7、9.5、10。这些操作条件范围的选择是在参考了一些资料（如Collivignarelli 等人. 1998; Eden 2000; EPA 1993）后决定的。第一阶段试验的操作条件列于表1。表 1 试验期间空气吹脱反应器的操作条件试验时间: 48 h, 空气流量: 70 Nm3/h试验12345678废水来源AAABABAA进液量, L10001000100010001015100010001000温度,C30205040424042394240424040pH9.49.68.59.09.29.88.59.08.59.09.610.410.010.49.39.7进液NH4N, mg/L553033503371300242152834321913139对液态样品，用流动注射分析法测量NH4N，NOXN和 NO2N含量。测量方法符合国际标准ISO 11732 15和芬兰标准流程SFS-EN ISO 13395 16。对于气态样品，主要测量目标是NH3，NOX，NO2和N2O。使用德尔格accuro手泵配合德尔格检测管做短期测量(NH3 5/a, 0.5%/a; NO2 2/c 和 亚硝烟 2/a) 17。一氧化二氮（N2O）气体样品由分子筛采集，并用气相色谱法对取样管进行热解析和分析18。研究发现这种方法很实用19，与气袋采样相比更不易受存储问题的影响。3 结果与讨论3.1 空气吹脱部分为了优化试验中碱的用量和pH控制的关系，首先测试酸洗废水的pH的改变和加入的碱量的关系（图3）。结果发现当pH由初始值7.5增加到9.0时，仅消耗了35.7%的总碱量。但是当pH由9.0升至10.0时，消耗了64.3%碱量。这表明当需要调节pH时，化学成本会明显增加，尤其是当pH要超过9.0时。图 3. 50% NaOH的滴定曲线表2和图4展示了空气吹脱试验的结果。第一阶段的8组空气吹脱试验的中，NH4N脱除效率最高为98%，最低为38%。图 4 空气吹脱高氨氮堆肥废水处理的结果: NH4N 脱除效率、温度和pH值表 2 空气吹脱高NH4N堆肥废水的试验结果试验12345678酸洗水时间脱除率%脱除率%脱除率%脱除率%脱除率%脱除率%脱除率%脱除率%NH4Nmg/L0553033503371300242152834321913139482927471035694648690070260538639825592576056尾气时间进出进出进出进出进出进出进出进出NH3ppm05300800045004000300090006000500024a42%10%47%35%33%22%50%60%48b9%20010%2006%25015%16028%2001%25013%20016%200a第一个24小时后通入催化焚烧炉的尾气的入口浓度，表示为初始入口浓度的百分比（试验开始时）b第二个24小时后通入催化焚烧炉的尾气的入口浓度，表示为初始入口浓度的百分比（试验开始时）温度 试验1（30, 9.5）的NH4N脱除率为47%，相应地，试验3（40, 9.5）达到了86%。试验2（50C, 8.7）的NH4N脱除率为69%，相同pH条件下的试验4（40, 8.7）的为70%。这表明，当pH相同时，升高操作温度能有效的提高NH4N脱除率。适中的温度40C是至关重要的，如果超过40C，NH4N脱除率并没有随温度升高而明显提高。4042C为最佳操作温度范围。pH 在最佳操作温度下，试验3（40C, 9.5）、试验4(40C, 8.7）、试验6（40C, 10）的NH4N脱除率分别为86%、70%和 98%。将pH从8.7逐步增加到9.5，当pH每增加半个单位时，NH4N脱除率提高16%。当pH升到10时，NH4N脱除率甚至达到了98%。显然，升高pH有利于NH4N脱除率的提高。在适当的温度条件下，pH为10左右便能达到90% NH4N脱除率。但考虑到化学成本的控制，适宜的pH值约为9.7。进液浓度 试验8（40C, 9.5）以一份浓度极高的液体样品做试验。进液NH4N浓度超过13000mg/L，约为平均进液浓度的4倍。结果显示，试验8的NH4N脱除率仅为试验3（40C,9.5）的65%，其效率甚至比pH值较低的试验4的脱除率更低。这证明进液浓度过高会降低脱除效率。但液体浓度较高时，反应速率和总的NH4N脱除量也较高。因此，在一些进液浓度过高的情况下，多级吹脱也是一种可行的方案。此外，对于堆肥废水，一般酸洗废水和管道污水混合很容易就得到适合空气吹脱流程的进液NH4N浓度。并且，这个方法相当的节省和有效。操作准则 试验4试验5（40C, 8.7）和试验6试验7（40C, 10）是两对试验条件相同的平行试验。这几组试验的结果存在着差异。其原因可能是因供给误差导致试验5或试验7的温度或pH有小幅度的下降。因此，建议将确保空气吹脱流程中温度和pH的稳定作为一项重要操作准则。反应率 在第一个24小时和第二个24小时内的NH4N脱除率被分别计算出来，并在图5中表示出了这些反应率（NH4N脱除率）。此外，主要试验变量的统计值都在表3中总结出来。这些变量包括温度、pH、初始NH4N浓度（流率保持稳定），都在每日实验中记录下来。忽略脱除效率和操作的误差，从图5中可得知在第一个24小时内，NH4N脱除率为6080%。虽然与液相测量相比，高浓度气体取样和测量在精度上有所局限，但气相中NH3的浓度（表2）也能支持上述的发现。例如，试验进行24小时后，进液NH3浓度一般只有启动时浓度的30 50%。这个结果与图5表示的结果一致。此外，还发现了两个特殊的试验：试验2（50C, 8.7）和试验6（40C, 10）。试验2中，NH4N脱除速率在第一个24小时内较高，而在第二个24小时内有一定程度的下降。在最佳操作下，试验6在第一个24小时内的NH4N脱除速率非常好，总的脱除效率也很高。这意味着在初始阶段，较高的pH值或温度能加快废水中NH4N的脱除速率，并且最适宜的pH与温度的结合和适当的操作对最终脱除效率更为重要。表 3 主要试验变量的统计方法UnitAverageStandarddeviationCoefficient ofvariation (%)MinMaxNo. ofobservationsTemperatureC40.35.0712.6315016pH9.320.525.68.610.316Initial NH4Nmg/L3833316782.66421313916NH4N removal ratemg/Lday1541104667.9579432016图 5 空气吹脱效率和24小时脱除率(%/24-h)建立模型 分析了pH、温度、初始NH4N浓度和反应速率（NH4N脱除速率）的关系后，用交互式统计程序20建立了一个统计模型，用以解释这些因素对NH4N脱除速率的影响。采用多元回归分析得到NH4N脱除速率的表达式为： (1)其中：Y 反应速率（NH4N脱除速率）(mg/Lday)K0 常数Kn 系数（表4）Xn 统计模型中的变量表 4 统计模型的变量、系数和解释NH4N脱除率的意义（p：相关连的p值）系数标准误差p常数9565.51947.20.0004变量pH813.0172.90.0005温度55.2917.690.0088初始 NH4N0.33970.02900.0000对于这3个变量，若只关联初始NH4N浓度这一个因素，可以解释74%的应变量变化。当关联初始NH4N浓度和pH两个因素时，可解释的应变量变化上升到86%。当关联到所有的3个变量时，92%的NH4N脱除速率的变化都可以解释。因此，在这个试验设计里面，初始NH4N浓度是最重要的因素。另一方面，由于预设的变化范围，其它变量的变化较小，并且其影响也更受限制。pH是影响反应速率的第二重要因素。模型表明，如果pH足够高，则温度对NH4N的脱除就不那么重要了。也就是说，当温度恒定时，pH值能决定脱除速率和最终脱除效果。在图6中对统计模型做了图解。为了增加其可信度，图中只包含了部分初始NH4N浓度与平均浓度接近的试验。必须考虑到的是，对于最远的角落，这个模型预测是最不确定的。基于其它的研究（如Collivignarelli等人 1998），这个模型中的变量更具选择性。这样，这个试验和模型中所选变量的预设变化范围就更有代表性。因此可以发现变量和反应速率（NH4N脱除速率）之间的良好线性关系，这使得简化以前的试验模型（如Collivignarelli等人 1998）成为可能。利用这个模型表示大部分实际的空气吹脱流程是可行和适当的。图 6 NH4N浓度、pH和温度对反应速率的影响模型 (mg N/l day)3.2 催化氧化部分3.2.1 设施A经过催化氧化，最终出口NH3浓度约为200ppm。而且，出口气体中NOx和NO2浓度分别为16ppm和6ppm，都是可接受的。但N2O浓度很高，在10002000ppm范围内。这表明有必要进一步减少这些气体的排放。3.2.2 设施B通过提高温度减少气体排放量，会改变催化氧化单元的操作。表5和图7表示了优化单元的试验结果。表 5 设施A和B的出口气体中NH3, NOX, NO2和N2O浓度NH3NOXNO2N2O设施A观测序号8722平均值标准偏差, ppm200301612661500880设施 B观测序号4334平均值标准偏差, ppm130805040202013080图 7 设施B的催化氧化结果结果表明，设施B的NH3和N2O排放量比设施A要少，NH3浓度降幅比A设施高，这些不同在图8中被展现出来。设施B的进液氨浓度较低，把NH3浓度低于2000ppm的可比负荷作为考虑范围，则氨去除率由76%（标准差：7%）提高到86%（标准差：5%），残留氨浓度平均由200ppm降到130ppm。因为设施A的进液负荷较高，而最后排放气含有少量的N2O，所以导致设施B的N2O排放浓度较低的原因是温度的改变，还是不同的进液负荷范围并不清楚。结果显示，增加氨负荷会增大排出气体的浓度（图7和图8）。如果NH3和N2O的目标排放浓度都是100ppm，进液氨浓度应该低于800ppm左右。设施B中的氮平衡表明，进液中相当一部分的氮转化为副产品N2O，平均为26%（1534%）。和以PtO/Al2O3做催化剂的试验结果相比，我们的研究中N2O浓度是相当低的，但一定程度上高于以PdO/Al2O3作催化剂的试验结果。Li 和 Armor14的研究表明，以Pd做催化剂，对N2O的选择性随温度增加而提高，而以Pt做催化剂时情况就比较复杂了，甚至可能降低。同样，在Olofsson 等人21以Pt/CuO/Al2O3做催化剂的研究中，温度对N2O选择性的影响也是非线性的，出现了局部极小值和极大值。当预测升高温度和以Pt跟Pd做催化剂这两个因素联合对N2O产生量的影响时，发现总的影响效果很小。Olofsson 等人21以Pt/CuO/Al2O3做催化剂，N2O排放浓度与本项研究相比更低。这表明本项研究所用催化剂还有改进的可能。图 8 设施A和B催化氧化结果的比较在设施B中，进入催化氧化流程的氮约有2%和5%分别转化为NOx和NO2，看起来要比Olofsson 等人(2005)的研究发现要低一点。设施B中的NOx和NO2值要比设施A中的高约3倍左右。据报道，提高温度能明显增大对NO和NO2的选择性（Olofsson 等人 2005；Li and Armor 1997），这解释了两套设施的差别。总的来说，本次研究中的这些含氮化合物的残留浓度都是相当低的，因此不需要进一步的处理。这些发现表明，在工业规模的催化氧化单元中采用优化的流程，已达到的氨氮脱除率是合理的，但是废气中NH3和N2O的浓度限制了应用时的负荷范围。催化氧化部分已达到的可行氨氮脱除率约为90%。由于试验规模，这些结果可完全进行工业化的应用。4 成本估算根据当前的工作发现对运营成本进行了估算。空气吹脱法处理高NH4N堆肥废水的运营成本据估计为37欧元/m3。利用沼气做能源可以使能源开销降至可接受的水平。回收利用堆肥过程中产生的热量可以进一步降低吹脱能源开销，但这很大程度上取决于堆肥厂现有设备，在此也没有做详细的估算。与其它花费相比，催化氧化部分的运营成本很小。因为催化氧化过程产热，使得这部分不需要外加热源。此外，空气吹脱部分和催化氧化部分的建设成本估计约为120000 125000欧元（空气吹脱流程投资回收周期为14个月）（详情请见附录）。运营成本比城市污水处理站的处理费用（污水处理费用根据芬兰城市污水处理站采用的处理费用计算公式进行估算）要低7788%。考虑到能源价格的波动，成本的降低显得更加重要。此外，为了比较投资水平，简明的提到一些其它研究的总成本。Collivignarelli 等人(1998)计算了空气吹脱系统处理NH4N含量为2.4 kg/m3垃圾渗滤液的运营和建设成本。在3050C的温度范围内，达到90%的N脱除率，成本为44.5欧元/kg 脱除N。考虑到10年的折旧费和7.5%的利率，生物法处理垃圾渗滤液的成本为1520/kg 脱除N22, 23。对于浓度更高的污水和更大的处理厂，单位成本约为这些数值的50%。在这种情况下，包含运营成本和建设成本在内的总成本估计在3.24.6欧元/kg 脱除N的范围内，根据采用的能源（沼气/燃料油）的不同而有所变化，其中空气吹脱部分和催化氧化部分都包含在内。这个成本略低于Collivignarelli 等人 (1998) 算出的吹脱系统的成本，但他们有额外的费用，如污泥处理费用，而且污水特性也不同。基于这些结果，与其他做吹脱法和生物脱除法的研究相比，本项研究中描述的污水处理系统的粗略成本水平是可行的。从成本估算中可以发现，当处理厂规模减小50%时，具体的成本费用并没有显著的变化。这表明这里描述的处理系统可以进行更小规模的应用。最后，空气吹脱流程适宜的pH和温度范围以及成本都列于图9。结果表明将脱除率和运营成本都考虑在内时，空气吹脱系统的最佳pH操作范围为9.69.7，温度范围为4042C。这个系统对处理初始NH4N含量为25005000mg/L的高浓度废水很有效。图 9 空气吹脱流程的适宜温度、pH及其结合5 结论空气吹脱法被证明是处理堆肥厂的高氨废水的一种有效方法。在批试验里，NH4N脱除率达98%。确定了温度、pH和初始NH4N浓度对NH4N脱除速率的影响，其中，NH4N浓度对反应速率具有决定性影响。基于成本的考虑，适宜的操作条件是：温度约为40C，pH约为9.6。催化氧化部分合理的氨脱除率达到约90%。但是，废气中NH3和N2O的浓度影响了应用时是负荷范围。催化单元的温度能影响废气中NH3和NO2/NOx的浓度。根据成本估算，空气吹脱的主要成本是运营费用，相反，催化氧化部分的成本主要是建设费用。相比于其它方案和替代技术，空气吹脱联合催化氧化法除氮的总成本基本是可行的，约为3.24.6欧元/kg 脱除N。由于本项研究中的试验规模，试验结果可进行工业化应用。空气吹脱法和催化氧化法的联合基本能适应不同的规模要求。当地环境和排放限制很大程度上影响了这个系统的适应性。附录成本估算成本估算是建立在一个可信的假设上的，即空气吹脱系统一直处于相同的全效率的工作状态。从经济的角度对电、燃料油和沼气做能源做了比较。沼气来源分为两种，商业购买和附近垃圾填埋场或厌氧消化设施免费供应。后者在成本估算中认为是免费的。为了避免复杂化和个别案例的干扰，需事先熟悉空气吹脱流程，如图10。并且，运营成本主要被分为化学成本和能源成本两部分。据推测，这两个连续的反应器中，50%的稀释剂和50%热是可回收的。流程中采用了两个并联的吹脱反应器。图 10 空气吹脱流程简图基于滴定试验，pH跟化学成本的关系定义为：CCN = 2（1418pH22164pH82561） （2）其中：CCN 与NH4N负荷有关的额外加碱费用（欧元/kg NH4N负荷）UP 碱的单位价格（欧元/L）pH pH预期值 流程系数，通常为1.05Ni 堆肥废水的初始NH4N浓度（mg/L）公式（2）仅适用于pH为9.39.7，初始NH4N浓度为250010000mg/L的情况。如果pH高于这个范围，成本几乎会加倍。基于图1，总的能源开销分为加热酸洗废水/吹脱空气所需热量和通风/加碱泵所需能量。其它能源消耗，如照明并不包含在估算中。预计加热器能量转化率为78%。电能、燃油、沼气都是估算时的潜在能源。能源成本可表示为：,(3)其中： CEN NH4N负荷能耗成本（欧元/kg NH4N负荷）D 堆肥废水的密度（kg/m3）cP 堆肥废水的比热容（J/kgC）Q 空气吹脱反应器体积（m3）Te 堆肥废水预期温度（C）Ti 堆肥废水初始温度（C）Da 空气密度（kg/m3）cPa 空气比热容（J/kgC）DI 稀释因子R 气液比，预计为2400Tea 预期空气温度（C）Tia 初始空气温度（C）EA 通风能耗（kWh）EP 加减泵能耗（kWh）UP 能量单位价格（欧元/ kWh）在这些研究的案例中，每天堆肥废水（酸洗废水）的产生量很小。吹脱系统的负荷要求并不是重要因素。建议空气吹脱负荷范围最好设计在210m3/天，以达到最佳性价比。包含化学成本和能源成本的运营费用由方程（4）计算：CN=（CCN+CEN） f （4）其中：CCN NH4N负荷能耗成本（欧元/kg NH4N负荷）CEN 维护和损失系数，通常1.051.1假设：在一个典型的中式规模的空气吹脱流程中，用一个9kW的通风机通风，两个0.25kW的加减泵以加碱。表6列出了流程的详细规格说明书和成本预算。表 6 空气吹脱工艺处理酸洗水的运营和建设成本的详细说明与估算假设堆肥废水特性4 kJ/kg/C(比热)22C（温度）1.07kg/L（密度）吹脱空气特性1 kJ/kg/C0C（温度）1.25 kg/L（密度）能量利用效率电能加热器 =95%加热器吹脱器=80%热交换=50%从器壁和空气扩散装置散失的热量忽略价格（芬兰）电 燃料油沼气NaOH 50%0.085欧元/千瓦时a0.06欧元/千瓦时b0.012欧元/千瓦时，在0.000080.023欧元/千瓦时之间0.5欧元/L空气吹脱流程模型堆肥废水体积17.5 m3/批/2 天吹脱反应器体积17.5 m3*2气液比2400：1NH4N浓度4000mg/LpH9.6温度40C(堆肥废水和吹脱空气)能量通风机 430千瓦时连续加碱泵24 kWh操作费用估算化学药品90 欧元/批1.3 欧元/kg NH4N 负荷能量电能168欧元/批2.4欧元/千克NH4N负荷燃料油119欧元/批1.7欧元/千克NH4N负荷沼气20欧元/批0.3欧元/千克NH4N负荷总计电能燃料油沼气258209110欧元/批3.73.01.6欧元/kg NH4N负荷操作费用电能燃料油沼气欧元/m3 废水7.46.03.1a 包含增值税（价格参照2007年能源评估24）b 包含增值税，沼气价格会因种类不同而有所波动在欧盟成员国的条件下，对投资和人力成本也做出了估算。假设，这个处理系统的必需设备包括，2个17.5m3的塑料反应器，1个负荷为1000m3/h的VOC催化焚化炉，1个负荷为1000m3/h的空气通风机，1个加热和热交换器，2个加碱泵。包括pH、温度和气流探针在内的必要的监测系统和一些附件，如膜瓣和细管都在估算范围内。人工检测系统的成本估算包含了便携式气体流量计和每周8小时人工作业。预计建设成本为120000欧元，人力成本为6000欧元/年。如果采用自动监测系统，并且在线气体分析仪和探针跟电脑控制系统相连，则日常人工作业量将大幅减少（减少到半小时）。预计建设成本为125000欧元，人力成本为2000欧元/年。总体来说，在空气吹脱部分，建设成本预计为0.4欧元/kg N，运营成本为1.63欧元/kg 脱除N。而在催化氧化部分，建设成本预计为1欧元/kg N，运营成本为0.2欧元/kg 脱除N。Treatment of High AmmoniumNitrogen Wastewater from Composting Facilities by Air Stripping and Catalytic OxidationY. Wang, M. Pelkonen, M. KotroReceived: 29 March 2009 ; accepted: 22 July 2009Springer Science + Business Media B.V. 2009AbstractComposting municipal wastewater sludge may generate composting wastewater (acid washer water and tunnel wastewater) with high ammoniumnitrogen (NH4N) concentration; this kind of wastewater is usually generated in a rather small daily amount. A procedure of air stripping with catalytic oxidation was developed and tested with pilot-scale and full-scale units for synthetic disposal of the high NH4N waste- waters from composting facilities. In air stripping, around 90% NH4N removal efficiency was reliably achieved with a maximum of 98%. A model to describe the stripping process efficiency was constructed, which can be used for process optimization. After catalytic oxidation, the concentrations in the outlet gas were acceptable for NH3,NOX,NO2,andN2O, but the NH3 and N2O concentrations limited the feasible loading range. The treatment costs were estimated in detail. The results indicate that air stripping with the catalytic oxidation process can be applied for wastewater treatment in composting facilities.Keywords Waste treatment; Composting; Ammoniumnitrogen; wastewater . Stripping; Catalytic oxidation; Emissions; Costs; Energy balance1 IntroductionSince the first organized composting operations were carried out in the early 1930s, composting has been widely utilized as a regulated treatment process for the organic fraction of waste. However, to some extent, composting can transfer solid waste problems to air and water contamination. Wastewaters from composting facilities are mainly composed of acid washer water and tunnel wastewater. Acid wash water is the concentrated wastewater generated from the acid-washing equipment used for odor and contaminated air control in composting facilities. In medium-sized composting facilities, acid washer water is usually generated in small quantities; however, it contains an extremely high concentration of ammoniumnitrogen (NH4N), especially in some facilities composting municipal wastewater sludge. Correspondingly, tunnel wastewater is generated in higher quantities, but lower NH4N concentration. In the preliminary survey phase of this study from two composting plants, it was found that acid washer water contributed only around 9% to composting water contributed only around 9% to composting wastewater flow but provided 7075% of the NH4N load. On the other hand, the COD concentration of composting wastewaters is rather low compared to their NH4N level, which results in an extremely low COD/nitrogen (C/N) ratio of composting wastewaters. A common method for treating the composting wastewater is to pump it to a municipal wastewater treatment plant (WWTP). Because of the high concentration of NH4N, this approach may result in a considerable nitrogen load in the WWTP and high wastewater treatment fees for composting facility operators. Hence, in many medium-sized composting facilities, a simple, convenient, and effective in-situ wastewater treatment process for NH4N removal is needed. A number of alternative technologies are available for NH4N removal from wastewaters, e.g., biological nitrificationdenitrification, chemical precipitation, and air stripping. Biological nitrogen removal and ammonia stripping has been evaluated as being most cost-efficient for WWTP wastewaters containing NH4N around 50 mg N/l or less (Lu 2002). Also, for more concentrated wastewaters, biological nitrification denitrification is one of the most popular technologies currently utilized for nitrogen removal. For example, a reported technical-scale plant with biofilm process and membrane post-treatment operates for landfill leachate with influent NH4N in the range of 1,000 mg/L (Baumgarten and Seyfried 1996). Another reported