煤气吹脱解析法处理一百万吨焦化厂剩余氨水工艺设计.doc

I 51 摘 要 焦化厂剩余氨水是冶金钢铁行业含氨氮较高的污染源 国内焦化厂为脱除剩余氨 水中的氨氮 一般均采用传统的直接蒸汽汽提蒸氨法 蒸氨废水经生化处理后循环使 用或外排 但此方法存在成本高 能耗大 脱除率较低 生化处理负荷大等问题 而 且长期以来国内氨氮一直未达到国家废水处理的排放标准 因此 迫切需要对焦化厂 除氨氮的方法进行改进 使之更符合节能 环保技术经济的要求 本文利用 煤气吹脱解吸法 中试所得到的最佳数据设计了一条煤气吹脱解析法 处理 100 万吨焦化厂剩余氨水的工艺 利用硫氨工段后的贫氨煤气对剩余氨水进行吹 脱 吹脱后的富氨煤气再送到硫氨工段脱氨 从而达到对剩余氨水的处理效果 采用 的都是一些较新型的设备 如陶瓷膜过滤器 漩流式反应器 吹脱塔等 而且与传统 直接蒸汽蒸氨法相比 具有运行成本低 工艺简单 便于操作等优点 以及与 A2 O 生 化处理工艺的适应性 取得了较好的效果 经处理后的废水中氨氮的脱除率达到 95 以上 大大减轻了 A2 O 法的负荷 为焦化剩余氨水的综合处理指出了一条新路线 关键词 关键词 剩余氨水 煤气吹脱解吸法 氨氮的去除 II 51 Abstract Surplus ammonia water of Coking and Chemistry Plant is the metallurgical steel trade pollution sources higher in ammonia nitrogen content Domestic Coking and Chemistry Plant in order to remove ammonia nitrogen from surplus ammonia water adopt traditional direct steam stripping steam ammonia law generally steam the ammonia waste water is recycled after biochemistry deal with or discharged But this method exists high costs energy consumption heavy low removal rate biochemistry handle load problem such as being heavy and domestic ammonia nitrogen did not reach national discharge standard of waste water treatment for a long time So the method of ammonia nitrogen removal needs to improve in Coking and Chemistry Plant urgently and make it accord with the demands for energy conservation technological economy of environmental protection even more This text use the the best data gain from the coal gas blow denitrogenation and adsorption stripping having designed a handicraft of use the coal gas blow denitrogenation and adsorption stripping handle the surplus ammonia water of one million tons of coking factory Make use of the coal gas from sulfur ammonia project blow denitrogenation the surplus ammonia water then the rich ammonia coal gas boasting delivers to sulfur ammonia project again to take off ammonia To reach the treatment effect to surplus ammonia water thereby Adopted some late model equipment eg Ceramic filter Eddy stream style reactor Boast tower and so on Have the merit of low working cost simple handicraft and easy to handle And handle the adaptability of the craft with A2 O biochemistry make better result The removal rate of the ammonia nitrogen is more than 95 percent in the waste water after it is dealt with that the coal gaslow denitrogenation and adsorption stripping great load of lightening A2 O law to found a new route for the comprehensive treatment of surplus ammonia water of coking Keyword surplus ammonia water coal gas blow denitrogenation and adsorption stripping ammonia nitrogen removal III 51 目 录 1 总论 2 1 1 概述 2 1 2 剩余氨水的来源 特点及质量组成 2 1 3 车间规模组成及主要装备水平 3 1 4 节能技术与环保 3 1 5 主要技术方案综述 3 1 5 1 主要技术的叙述 3 1 5 2 吹脱工艺流程 设备及其特点 4 1 6 设计的依据 5 1 6 1 数据依据 5 1 6 2 试验依据 5 1 7 设计存在的主要问题及处理 5 2 吹脱法处理剩余氨水工艺论述 7 2 1 目前国内外吹脱法的现状 7 2 1 1 吹脱技术净化石油污染地下水 7 2 1 2 吹脱法处理中低浓度氨氮废水 7 2 1 3 氧化吹脱 离子交换处理 2 萘酚生产废水 7 2 1 4 超声波吹脱技术处理高浓度氨氮废水 8 2 1 5 超重力法吹脱氨氮废水技术 8 2 1 6 吹脱法脱除炼油厂含硫化氢废水 9 2 2 目前国内外剩余氨水的生化处理方法 10 2 2 1 传统工艺脱氮法 10 2 2 2 A O 缺氧 好氧 脱氮工艺 11 2 2 3 A2 O 法 12 2 2 4 氧化沟硝化脱氮法 13 2 2 5 SBR 法 间歇曝气活性污泥法 14 2 2 6 短程 或简洁 硝化反硝化法 14 2 2 7 同时硝化反硝化 15 2 2 8 厌氧氨氧化 15 2 3 研究方案的选择 16 2 4 煤气吹脱法工艺叙述 17 2 4 1 剩余氨水处理工段工艺原理及处理方法 17 2 4 2 工艺流程的选择比较 17 3 设备选型与计算 19 IV 51 3 1 概述 19 3 2 物料衡算 20 3 3 热量衡算 20 3 4 设备的设计与计算 21 3 4 1 吹脱器的设计 21 3 4 2 贮罐的设计 29 3 4 3 其他设备的计算与选择 29 3 5 管路的计算 31 4 总图运输 33 4 1 概述 33 4 2 车间位置 33 4 3 总平面布置 33 5 其它专业的设计要求 35 5 1 土建 35 5 2 电力及照明 36 5 3 工业仪表 37 5 4 采暖通风 38 5 5 给水排水 39 6 环境保护 41 6 1 概述 41 6 1 1 原来蒸氨法对环境的影响 41 6 1 1 现在吹脱法的优点 41 6 2 绿化设计 42 7 效益分析 43 7 1 环境效益 43 7 2 经济效益 43 结 论 45 参 考 文 献 46 致 谢 48 1 51 前 言 最近几年 科技日新月异 经济迅速发展 特别是我国 基础建设规模日益庞大 钢铁用量则空前增长 用于炼钢炼铁原料的焦碳自然用量剧增 随之而来的是一系列 环境问题 如温室效应 光化学烟雾 江河湖水污染变臭 噪音污染等问题正威胁着 人类和社会的健康发展 因此 优化工厂生产工艺流程 减少污染物排放量 积极治 理环境污染已经是刻不容缓 在这些环境污染中 水污染是一个重要的因素 而含氮废水的量一般较大 而且 含氮废水中的氮容易造成水体富营养化 导致水质恶化 大量水生生物死亡 焦化废水的来源主要有 3 部分 煤干馏煤气冷却过程中产生的剩余氨水 煤气净 化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水 焦油 粗苯等精制过程中产生的污水 其 中剩余氨水的污染量占总污染量的一半以上 它既是焦化污水的主要来源 同时又是 冶金钢铁行业含氨氮较高的污染源 剩余氨水中主要含有煤焦油 酚 氰化物 挥发 氨和固定氨 硫化氢以及少量的含锗化合物 在排放到自然界之前 这些物质都必须 进行回收处理 以免造成环境污染 焦化厂废水中的氨和铵盐 对金属设备和管道有 腐蚀作用 并影响生物脱酚的正常操作 直接排放又严重污染环境 如何寻找一条脱 除氨氮 并配合切实可行的生化方法 是各企业急于探求的目标 2 51 1 总论 1 1 概述 国内焦化厂中 为脱除剩余氨水中的氨 一般都采用传统的直接蒸汽汽提法蒸氨 蒸氨废水经生化处理后循环使用或外排 但是此法存在蒸汽耗量大 设备腐蚀严重和 操作费用高等问题 许多焦化厂也都建有蒸氨装置 但由于存在蒸汽不足 设备腐蚀 和堵塞等问题而长期未开工 剩余氨水不经任何处理 直接送生化装置处理后外排 致使生化装置因进水的污染物含量高 而难以达到理想的处理效果 造成外排水多项 指标长年超标排放 焦化废水的来源主要有 3 部分 煤干馏煤气冷却过程中产生的剩余氨水 煤气净 化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水 焦油 粗苯等精制过程中产生的污水 其 中剩余氨水的污染量占总污染量的一半以上 它既是焦化污水的主要来源 同时又是 冶金钢铁行业含氨氮较高的污染源 废水中氨氮的处理技术一直是各国学者研究的热 门课题 脱氨方法有很多 目前在工业上应用的主要有蒸氨法 吹脱法 生物脱氮法 折点加氯法 离子交换法 烟道气治理法等等 生物脱氮法适用于处理含有机物的低 氨氮浓度废水 该法技术可靠 处理效果好 主要应用于化工废水和生活污水的处理 对于高浓度无机氨氮废水 如化肥废水 催化剂废水 目前工业应用较多采用吹脱法 国内焦化厂为脱除剩余氨水中的氨氮 一般均采用蒸氨法 考虑到本设计在技术和经济上的合理性 有必要进行设计之前的技术资料准备工 作 以蒸氨工艺为参考 考虑预处理后的生化处理的联运 从工艺 设备及相关资料 普查入手 经计算整理 设计一条利用煤气吹脱解析法处理 100 万吨焦化厂剩余氨水 的工艺道路 由中试 煤气吹脱解析法处理剩余氨水 的试验结果可知 吹脱法处理 的剩余氨水明显减轻了生化处理装置的负担 生化出水的水质也得到了明显的改善 外排水水质全部达标 而且大大降低了蒸汽耗量 降低工艺生产费用 1 2 剩余氨水的来源 特点及质量组成 1 在焦炉煤气初冷过程中形成了大量氨水 其中大部分用做循环氨水喷洒冷却集气 管的煤气 多余部分称剩余氨水 剩余氨水组成与焦炉操作制度 煤气初冷方式 初 冷后煤气温度和初冷冷凝液的分离方法有关 其一般组成范围见表 1 1 表 1 1 剩余氨水组成表 1 组 成 克 升 初冷工艺 初冷后 煤气温 度 全氨 挥发 氨 CO2H2SHCN酚吡啶 3 51 煤气的初冷 初冷冷凝液单独 分离 30 407 96 82 41 30 1 0 21 20 2 0 4 初冷冷凝液与集 气管循环氨水混 合分离 硫铵流程30 402 51 21 20 2 20 04 0 14 氨水流程20 252 31 5 30 5 2 50 1 0 2 煤气直接初冷 初冷循环氨水与 洗氨氨水混合分 离 25 304 60 4 1 40 1 0 24 1 3 车间规模组成及主要装备水平 本工艺适用于硫铵车间 用来取代蒸氨工艺 装备水平为 100 万吨焦化厂硫铵工 段装备水平 1 4 节能技术与环保 煤气吹脱解析法脱氨氮比蒸氨法脱氨成本要低 蒸氨法的直接气耗量为 160 200 公斤 米 3原料氨水 按市场平均价格算 每吨蒸气的价格约为 90 元人民币 也就是说 每处理一吨氨水 光消耗蒸汽就要花费 18 元 按 60 万吨焦化厂计 仅耗蒸汽约 300 万元 采用煤气吹脱法 通入的是焦化厂本身就产生的焦炉煤气 利用焦炉煤气本身 的热量和余压对剩余氨水进行吹脱 节约了能源 保护了环境 降低了成本 另外 蒸氨法工艺流程较复杂 设备较大 而煤气吹脱解吸法工艺流程简单 与 整个水处理工艺能联运循环 总之 煤气吹脱法比蒸氨法成本明显要低 工艺要更为合理优化 1 5 主要技术方案综述 1 5 1 主要技术的叙述 8 当废水中含有可挥发性物质 如硫化氢 氨气等 时 可以用向废水中通入蒸汽的方 法将之提取出来 这就是 吹脱 带出来的挥发性物质可以通过适当的方法加以回 收利用 氨氮的去除率是指通过处理 从废水中除掉的氨氮的量占原废水中氨氮总量的百 4 51 分比 废水中的氨氮多数是以铵离子 NH4 和游离氨 NH3 的状态存在 并且它们之间 存在如下的平衡关系 32324 NHH ONHH ONHOH 显然 游离氨的浓度与废水的 pH 值有关系 pH 值越高 游离氨的浓度越高 常 温时 当 PH 值为 7 左右时氨氮大多数以铵离子状态存在 而 PH 为 11 左右时 游离 氨大致占 90 当水的 PH 值升高 呈游离状态的氨易于逸出 若加以搅拌 曝气等物理作用更可 促使氨从水中溢出 在实际工程中 大多采用吹脱塔 吹脱塔的构造一般采用气液接 触装置 通常以石灰作为碱剂处理 经石灰调节 PH 值后的水从塔的上部淋撒到填料上 而形成水滴 而下部的煤气鼓泡而出与水逆流接触 完成传质过程 使氨由液相转变 为气相 随煤气而出 完成吹脱过程 吹脱是一种对流传质过程 根据有效膜理论 其推动力是溶质组分的液相浓度与 气相浓度差 根据资料 常温下氨水系统的平衡方程式为 Y 1 2X 1 1 式中 Y 氨在空气中的摩尔分率 X 氨在水中的摩尔分率 由上式可以计算出 当氨氮去除率达到 95 时的最小气液比为 0 79 即气液比为 980 1 由于氨吹脱属气相阻力控制 因此通常情况其实际生产过程的气液比可能还 要大 1 5 2 吹脱工艺流程 设备及其特点 本工艺流程大致为 于剩余氨水中投入碳酸钠 调节耗 PH 值后流经漩流式反应器 经反应后进入吹脱塔与煤气进行逆流接触 脱氨后用鼓风机抽至硫氨工段 本工艺流程中煤气的走向大体上可以说是一个循环的过程 即利用硫氨工段后的 贫氨煤气对剩余氨水进行吹脱 吹脱后的富氨煤气再送到硫氨工段脱氨 从而达到对 剩余氨水的处理效果 采用的都是一些较新型的设备 如陶瓷膜过滤器 漩流式反应 器 吹脱塔等 而且与传统直接蒸汽蒸氨法相比 具有运行成本低 工艺简单 便于 操作等优点 吹脱塔的形式有填料塔 筛板塔等 废水自塔顶喷下 煤气自塔底通入 在塔内 废水与煤气进行逆流接触 废水吹脱后从塔底经水封管排出 自塔顶排出的气体进入 到下一工段 单位时间吹脱的气体量 正比于气液两相的浓度差 或分压差 和两相 的接触面积 即 G K A C 1 2 式中 G 为单位时间内由水中吹脱的气体量 5 51 A 为气液两相的接触面积 K 为吹脱系数 1 6 设计的依据 1 6 1 数据依据 1 本设计题目为煤气吹脱法处理 100 万吨焦化厂剩余氨水的工艺设计 由文献 1 可 知 标准状态下煤气处理量 Q 如下 Q W 1 07Mg 1 3 式中 W 装炉干煤量 吨 时 1 07 焦炉紧张操作系数 Mg 煤气发生量 标米 3 吨干煤 煤气发生量系指 1 吨干装炉煤产生的标准状况下的干煤气体积 通常在洗苯塔后 测出 故实际上不包括焦炉损失的煤气量 煤气发生量波动于 285 420 标米 3 吨干煤 约相当于装炉干煤重量的 15 19 它随煤料的挥发分而变 本设计中 Mg 取 340 标米 3 吨干煤 则可得 W 100 0 75 133 万吨 年 0 36 万吨 天 151 吨 时 Q 151 340 104 5 1 108标米 3 时 而剩余氨水量 W 为 10 11 的干煤量 W 133 0 1 13 3 万吨 年 1 6 2 试验依据 设计之前我们在武钢燃气厂气柜车间进行了煤气吹脱解析法处理剩余氨水的中试 试验 由正交试验取得的最佳试验数据 以及出于对工业环保 经济等诸多因数的考 虑选取设计依据为下表 1 2 表 1 2 试验所得最佳数据 1 7 设计存在的主要问题 或遗留问题 及处理 由于设计者能力和设计时间的有限 至使设计过程中出现的一些问题 具体如下 气液比吹脱时间PH 值温度 600 1120min10 2 80 6 51 1 由于设计的主要依据为 煤气吹托解析法 的中试试验 中试所用的煤气吹托 盘设计比较粗糙 所用的孔径 开孔大小等 可能还没有达到最佳设计 应此试验所 得的最佳气液比可能还会减小 也就是说 凡是和煤气有关的设计部分 设计的大小 可能都有偏大 2 反应器的保温采用的是夹套加热 应此 由设计参考资料塔径不能过大 导致 吹托塔体过高 从而吹托煤气的动力要求也较大 以后的研究可以尝试选用其他的保 温方法 增大塔径 降低塔高 减小煤气动力要求 3 经过吹脱的煤气 本来温度可以不用要求到 45 因为如果直接送往硫铵饱和 器的话 温度降到 60 就足够了 但是如果这样的话 对于整个硫胺工段又涉及到了 一个水平衡的问题 而使整个硫铵车间的反应条件都要依其作出一定的调整 整个工 程调节过大 所以把吹脱后的煤气送往鼓风机前 以后的设计可以考虑在本设计的基 础上向这个方向设计 3 煤气吹脱解析法处理剩余氨水的中试试验中 为了和后面的 A2 O 相匹配 我 们选用的助脱除剂为碳酸钠 但是试验中我们发现如果选用碳酸钠 投碱量会比较大 于经济和简便方面都不是很合适 因此 本设计中选用氢氧化钠 4 中试装置的冷凝部分 我们设计的是蛇管形式 但是实际的试验中发现蛇管固 然可以达到一定的冷凝效果 但是应此所需要的塔体部分高度过高 因此在本设计中 设计的是列管式 许多部分都可以按照标准件来设计 冷凝塔体部分高度减少了不少 5 中试试验中发现煤气带雾现象比较严重 因此在设计中 加入了抽雾层 确保 吹脱效果 6 本设计开始时冷凝部分使用的冷凝水是 16 的冷却水 换热后温度达到 35 后来注意到采用 16 的冷却水 消耗比较大 因此设计过程中又改为 32 的冷却水 但是经计算当采用 32 冷却水时所需要的还热面积又会增大 而且煤气吹托的动力要 求也会增大 所以最终确定冷凝水为 16 的冷却水 考虑到处理后的剩余氨水到生化 前也需要冷却 但要求并不高 因此设计用这里的 35 的出水来冷却处理后的剩余氨 水 7 51 2 吹脱法处理剩余氨水工艺论述 2 1 目前国内外吹脱法的现状 8 2 1 1 吹脱技术净化石油污染地下水 在石油污染水中 大多数污染水为石油裂解产物或带有各种官能团的烃类衍生物 和 NH4 N 等污染物质 采用吹脱技术 可以较容易实现以下效果 1 有效降低出水 中油含量 随着气水比的增加 吹脱出水中油含量逐渐降低 可去除石油类有机物中 绝大部分挥发性组分 2 吹脱时 非离子氨 NH3 从液相进入气相 从而使水中 NH4 N 浓度降低 3 吹脱对高锰酸钾指数的去除率较低 说明在吹脱掉的石油类污 染物中 绝大部分是不可被高锰酸钾氧化的有机物质 吹脱还能增加水中的溶解氧 为后续的生物处理提供充足的溶解氧 2 1 2 吹脱法处理中低浓度氨氮废水 废水中的氨氮大多以氨离子 NH4 和游离氨 NH 3 的形式存在 当水的 pH 值升 高时 游离态氨易于逸出 采用搅拌 曝气等方法可加快氨的逸出 采用吹脱塔和气 液接触装置 经石灰调节 pH 值后的水从塔的上部淋洒到填料上而形成水滴 顺着填料 的间隙次第落下 与由风机从塔底向上或水平方向吹送的空气逆流接触 完成传质过 程 氨由液相转为气相 随空气排放 完成吹脱过程 2 1 3 氧化吹脱 离子交换处理 2 萘酚生产废水 2 萘酚生产废水是高盐 高 COD 高色的化工废水 传统物化与生化法无法处 理 可采用氧化吹脱 离子交换组合工艺方法 首先氧化吹脱废水中的亚硫酸盐 然 后分离富集废水中萘磺酸盐并加以回收利用 处理后的废水可回用为洗涤液和回收硫 酸钠 显著降低处理费用 力求做到废水资源化 是治理此类废水的关键 工艺流程 如图 2 1 废水氧化吹脱结果表明 在弱酸性条件下 亚硫酸以氧化为主 当 PH 小于 3 时 SO32一转化成 SO2而被吹脱去除 此时 COD 氧化去除速率明显高于弱酸 PH 条件下的 氧化速率 但在经过 5h 氧化吹脱反应后 弱酸与酸性 PH 条件下的氧化吹脱速率基本 重合 废水 COD 去除率达到最大值 因此该处理 212 艺方案适宜对高含盐量 尤其对 采用磺化反应而产生的高色度 高含盐量 高 COD 值的染料中间体化工废水的治理 8 51 吹脱氧化精密过滤 离子交换 回收硫酸钠 沉淀过滤用洗涤液 加 NAOH 洗涤液回用 图 2 1 氧化吹脱 离子交换处理 2 萘酚生产废水工艺流程 2 1 4 超声波吹脱技术处理高浓度氨氮废水 超声波吹脱技术可以克服一般方法中吹脱效果低 NH4 N 的去除率只有 40 50 不能达标排放的缺点 其原理是利用超声波辐射被处理废水 使水分子 承受交替压缩和扩张 产生空化气泡 加强 NH3的挥发和传质效果 使其更容易由液 相转为气相 因产生超声波的动力是压缩空气 空气进入废水中能及时将 NH3带出水 面 以保持气液二相中 NH3的分压差 从而获得吹脱 NH3的高效率 工艺流程如图 2 2 图 2 2 超声波吹脱法处理高浓度氨氮废水工艺流程 本方法大大提高吹脱效率 降低供气量 节省动力消耗 缩短了吹脱时间 从而 缩小了吹脱塔的体积 降低投资 吹脱效率比传统吹脱技术的脱氮率高 17 164 其对废水中的 COD 也有明显的去除效果 吹脱后的尾气可以通过盐酸溶液吸收 制成 高浓度的 NH4Cl 溶液 作为原料返回生产系统 2 1 5 超重力法吹脱氨氮废水技术 利用旋转填料床产生强大离心力场一超重力场 可使气液流速与填料的比表面积 提高而不产生液泛 氨氮废水在高分散 高湍动 强混合以及界面急速更新的情况下 与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触 强化了传质过程 这种特殊强化传 9 51 质作用 大幅度提高吹脱能力和吹脱效率 有效地实现氨氮废水的吹脱 在 PH 值为 10 8 气液比 1200m3 m3的操作条件下 氨的单程吹脱率达到 95 该技术特点 a 传质系数大幅度提高 在气液比为传统吹脱法 l 4 左右时即可达 到同样的吹脱效果 降低了运行费用 吹脱后空气中氨的浓度高 易于回收利用 b 气液在床层中的流速加快 湍流加剧 污垢及好氧生物和藻类不易沉积在填料层中 保证设备的长期正常运行 c 由于传质过程的强化 使得设备体积缩小 重量减轻 设备及基建费用减少 d 过程放大容易 开车 停车时间短 在数分钟内就能达到稳 定运行状态 更适合间断氨氮废水排放的处理 2 1 6 吹脱法脱除炼油厂含硫化氢废水 炼油厂从冷凝器排出的废水中 含有大量石油及硫化氢 具有很强的腐蚀性 其 中硫化氢的存在形式因 pH 值不同而异 处理时一般先酸化至 DH 5 以后 再用吹脱 法除去 工艺流程图如图 2 3 贮油池 除油池 渣 池 热水贮池 泵 吹 脱 塔 加酸设备 废水 硫酸车间 热水池 净化后废 水 中间水槽 冷 却 塔 排污水补充新鲜 水 废水 图 2 3 吹脱法脱除炼油厂含硫化氢废水工艺流程 吹脱技术还可脱除其它一些气体和物质 1 由于二氧化碳不会引起大气污染 故可在吹脱池内进行 2 在选矿废水中 氰化物主要以氰化钠形式存在 它是一种强碱弱酸盐 在水溶 液中易水解为氰化氢 加酸可促进水解反应的进行 生成的氰化钠用吹脱法脱除后 再用 NaOH 碱液吸收 可回收氰化钠 重新用于生产 如采用真空闭路循环系统 可 使输送氰化氢气体的管路处于负压下 可防止漏气中毒 还可避免新鲜空气中所含 CO2 对碱液的消耗 3 利用空气吹脱的方法对水中的三氯乙烯 氯苯 l 3 一二氯苯都有好的去除效 果 去除率为 30 85 去除效果随温度的升高而增加 10 51 2 2 目前国内外剩余氨水的生化处理方法 9 2 2 1 传统工艺脱氮法 该工艺以氨化 硝化 反硝化三项反应为基础 流程如图 2 4 图 2 4 传统工艺脱氮流程 从图上可看出 I 分别完成氨化 硝化和反硝化作用 加碱是为了保持硝 化所需的偏碱环境 加甲醉是为了提供反硝化所需的碳源 此系统有下列优点 氨化 硝化 反硝化分开进行 氧化速度高 污泥负荷率可达 1 4mgN gMLSS h 不同性质污 泥在不同沉淀他分离和回流 运行方便 灵活性大 效果较好 缺点 处理设备多 造价高 由于投加甲酵而带来的 BOD5 生化需氧量 需在系统后设曝气池和沉淀池除去 在实践中 也常采用单级脱氯系统 此系统仅有一个沉淀池 流程简单 设备少 稳定性和效果可能有不足之处 但由于该系统可达到脱氯处理要求 且经济实用 管 理方便 故常采用 流程如图 2 5 图 2 5 单级脱氮流程 11 51 2 2 2 A O 缺氧 好氧 脱氮工艺 传统工艺流程 BOD5去除和脱氯效果良好 但流程长 构筑物多 基建费高 需 外加碳源为了克服此缺点 在 80 年代开创了 A O 工艺流程 如图 2 6 图 2 6 A O 脱氮流程 从图 2 6 中可看到 反硝化菌利用原废水中的有机物作为碳源 将回流混合液中大 量的 NO2 N 还原成 N 2 从达脱氯目的 在好氧池中同时进行生物氧化 氨化和硝化 因此此工艺有以下优点 流程简单 构筑物少 不需外加碳源 缺氧池中残留的有机 物在好氧池中得到进一步去除 提高了出水水质 有机碳在缺氧他被利用 减轻了好 氧池的负荷 同时 缺氧池产生的碱度可补偿好氧他对碱度的需求 该工艺主要缺点是 脱氯效率不高 一般为 70 80 若欲提高 必须加大内 循环回流比 R 但这样会导致运行费用加大 同时导致反硝化溶解氧变大 影响反硝 化过程 A O 工艺影响因素较多 主要应注意 1 水力停留时间 HRT 一般要取得 70 80 的脱氮率 HRT 硝化 6h HRT 反 硝化 2h 否则 脱氮效率下降 2 进入好氧池 BOD5 80 mg L 否则导致异氧型细菌迅速繁殖 自氧型细菌得不 到优势不能成为优占菌种 则硝化反应无法进行 3 好氧池中 DO 溶解氧 控制在 2mg L 左右 并要满足氧化 1gNH3 N 需 4 57g 氧 4 最佳 pH 值 硝化池中保持 8 0 8 4 反硝化池为 6 5 7 5 5 硝化池最佳温度为 20 30 反硝化为 20 40 低于 15 时 速率都将下降 6 污水中溶解性 BOD5 NOX N 值应大于 4 否则反硝化速率下降 此时应加有机 碳源 7 混合液回流比 R 一般取值 200 500 此时脱氮率为 70 80 12 51 8 原污水总氮 TN 浓度应小于 30mg L 过高会抑制硝化菌的生长 脱氮率下降至 50 以下 为进一步提高效率 Bernard 提出了两级厌 好氧工艺 A2 O2 如图 2 7 图 2 7 两级厌氧好氧流程 日本的有关活性污泥改进法脱氮实验数据见表 2 1 表 2 1 活性污泥改进法脱氮试验数据 从表中可看到 曝气池中 MLSS 污泥浓度的一种表示方法 浓度越高 好氧他中污 水循环率越高 越有利于氮的去除 2 2 3 A2 O 法 A2 O 工艺 由三段生物处理装置组成 根据微生物存在形式不同 A2 O 工艺又包 括活性污泥法和生物膜法 该工艺将预处理的废水依次经过厌氧 缺氧和好氧三段处 理 其特点在于在一般缺氧 P 好氧工艺 A O 的基础上增加厌氧段 厌氧段能较好地对 污水水解酸化 以便提高缺氧 P 好氧的处理效率 水解酸化促使焦化废水可生化性提高 工艺流程图如图 2 7 13 51 图 2 7 焦化废水 A2 O 处理工艺流程图 2 2 4 氧化沟硝化脱氮法 采用机械表面曝气或转剧曝气的氧化沟内可划分为好氧区 缺氧区 若其适当运 行 能够取得硝化与反硝化的效果 氧化沟内生物细胞平均停留时间长达 15 30 d 为传统活性污泥系统的 3 6 倍 BOD5和 SS 悬浮物 的处理效率均为 95 以上 总 氮为 70 80 示意图如图 2 8 氧化沟工艺可不建初沉他和污泥硝化他 有时将曝 气池和二沉池合建而省去污泥回流系统 常用工艺流程如图 2 9 图 2 8 氧化沟示意图 图 2 9 氧化沟工艺流程 此工艺特点 流程简单 运行管理方便 由于 HRT 大 一般为 10 24h tn 污泥 龄 为 20 30d 故产生剩余污泥少 且不用硝化可直接脱水 节省了处理费用 由于 沟内循环流量一般为污水量的几十倍至几百倍 因此耐冲击负荷 处理效果稳定 出 水水质好 污泥负荷低 为 0 05 0 15KgBOD5 KgMLSS d 一般情况下 出水 BOD5 浓度为 10 15mg L SS 浓度为 10 20 mg L NH3 N 浓度为 1 3mg L P 浓度 1mg L 基建和运行费用低 同时去除 BOD5及脱氮除磷的基建费用比常规活性污泥 14 51 法低 40 60 运行费低 30 50 2 2 5 SBR 法 间歇曝气活性污泥法 该法于 80 年代开始丁研究与应用 它是将韧沉池出水流到曝气池 按时间顺序进 行进水反应 沉淀 出水 待机 闲置 等基本操作 这种操作周期反复进行 从而达到 不断进行污水处理之目的 因此不需设二沉他和污泥回流系统 曝气反应工序用于去 除 BOD5 硝化和磷的吸收 沉淀时因不曝气可实现反硝化 沉淀时间一般为 1 0 1 5h 然后排出上清液 留下活性污泥 作为下一个操作用期的菌种 待机工序 下 曝气他处于空闲状态 等下一个操作周期的开始 此工艺由于流程简单 省去了 污水及污泥回流 因此受到世界各国的重视 特别是在计算机的支持下才显示出真正 优势 在澳大利亚 近 10 年来已建成 600 座 SBR 污水处理厂 而且目前也出现了几 种不同形式的 SBR SBR 工艺具有去除 DOD5 生物脱氮和除磷的功能 进水工序的厌氧状态 DO 应 控制在 0 3 0 5mg L 以满足释磷要求 好氧曝气工序 DO 应控制在 2 5mg L 以上 曝 气时间为 4h 为宜 之后 沉淀 排放工序均为缺氧状态 DO 不高于 0 7mg L 时间 为 2h 左右为宜 反硝化菌进行 SBR 所特有的贮存性反硝化作用 使 NO3 N 进一步 去除而脱氮 胡勤海等人用此工艺处理垃圾渗滤液 进水 NH3 N 浓度为 425 523mg L 曝气 6h 后 出水浓度为 126 216mg L 此法的特点 工艺简单 构筑物少 无二沉池及回流污泥系统 基建费和运行费 较低 污泥易于沉淀 不会膨胀调节 SBR 运行方式 可同时具有去除 BOD5和脱氨除 磷功能 自动化程度高 耐有机冲击负荷能力强 易管理操作 该工艺比较适合我国 国情 可缓解城市废水急需处理与缺乏资金的矛盾 也比较适合我国污水排放量大 水质波动大的情况 2 2 6 短程 或简洁 硝化反硝化法 生物脱氨氮需经过硝化和反硝化 2 个过程 当反硝化反应以 NO3 为电子受体时 生物脱氮过程经过 NO3 途径 当反硝化反应以 NO2 为电子受体时 生物脱氮过程则经 过 NO2 途径 前者可称为全程硝化反硝化 后者可称为短程 或简捷 硝化反硝化 与全程硝化反硝化相比 短程硝化反硝化具有如下的优点 硝化阶段可减少需 氧量 降低了能耗 反硝化阶段可减少有机碳源 降低了运行费用 反应时间缩 短 反应器容积可减小 具有较高的反硝化速率 污泥产量降低 减少了投碱 量等 对低 COD NK4 比的焦化废水具有重要的现实意义 目前比较有代表性的工艺为 SHARON 工艺 该工艺采用的是完全混合反应器 CSTR 反应器适合于处理高浓度含氮废水 通过控制温度和 HRT 就可以自然淘汰掉 硝化菌 使反应器中的亚硝酸菌占绝对优势 从而使氨氧化控制在亚硝酸盐阶段 并 通过间歇曝气便可达到反硝化的目的 15 51 李春杰等采用一体化膜 序批式生物反应器处理焦化废水的过程中获得了稳定 高效的短程硝化作用 平均亚硝化率为 91 1 耿艳楼等以内循环式生物反应器作为 好氧反应器 以固定床反应器作为缺氧反应器和厌氧反应器 进行了简捷硝化 反硝 化过程处理焦化废水的试验 试验结果显示 简捷硝化 反硝化过程具有更高的 COD 和氨氮去除负荷 更低的出水 NO3 N 浓度 脱氮效果远远优于传统硝化 反硝化过 程 郑金伟等利用 A O O 生物脱氮工艺通过对亚硝酸型反硝化生物脱氨与硝酸型反硝 化生物脱氮工艺的比较 探讨了需氧量 耗碱量及投资降低的机理 他们认为 在焦 化污水处理工艺中 A O O 工艺在耗氧量 碱耗及投资等方面均低于 A O 工艺 生产 成本也有较大的降低 若以 NaOH 为碱源 可近一步降低生产成本 2 2 7 同时硝化反硝化 同时硝化反硝化 SND 是在一个反应器中同时实现硝化反硝化 王建龙对同时硝 化反硝化机理从生物学 生物化学和微环境理论的角度进行了总结 并探讨了应用固 定化技术可以实现同时硝化反硝化 同时硝化反硝化工艺中硝化与反硝化 2 个阶段可 以在同一个反应器中完成 省去第二阶段的厌氧反硝化池或减少其尺寸 简化了工艺 流程 硝化产生的酸度可部分被反硝化的碱度中和 可以缩短水力停留时间 减少反 应器体积和占地面积 赵庆样等研究了将硝化菌和反硝化菌混合包埋 利用载体对氧产生的扩散阻力在 颗粒内部形成好氧区 缺氧区和厌氧区 使硝化和反硝化 2 个过程有机地结合在一起 在好氧条件下同时进行硝化和反硝化 研究认为 海藻酸钙是包埋固定硝化菌和反硝 化菌较为理想的载体 利用混合固定的硝化菌与反硝化菌进行单级生物脱氮时的最适 当的 pH 值和温度分别是 8 2 和 30 周少奇等对同时硝化反硝化生物脱氮新技术的 影响因素进行了较全面的探讨 认为影响 SND 的控制因素主要有絮凝体结构 DO 浓 度 碳源及 ORP 等 指出了实现 SND 一些急需解决的主要问题 2 2 8 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化是指在厌氧条件下 自养的厌氧氨氧化细菌微以 NH3为电子供体 以 NO3 或 NO2 为电子受体 将 NH4 NO3 或 NO2 转变成 N2的生物氧化过程 氨的厌 氧氧化具有以下优点 无需外加有机物作电子供体 既可节省费用 又可防止二次污 染 可使耗氧能耗大为降低 氨厌氧氧化的生物产酸量 产碱量大幅下降 可以节省 可观的中和药剂 Broda 在 1997 年发表的一篇题为 在自然界中遗失的两种微生物 论文中认为存在反应式 NH4 NO2 N2 H2O Muider 在实验室规模的反硝化流化床反应器中 发现了氨和硝酸盐的同时消失 推测反应式为 16 51 5NH4 3NO3 4N2 9H2O 2H 与传统脱氮工艺相比 厌氧氨氧化不需要氧气 不需要外加碳源 产污泥低等优 点 与反硝化过程相比 厌氧氨氧化过程不需任何外援有机物质 即不受废水 C N 比 的限制 该工艺存在的缺点是因生物产率低造成系统停留长 因而所需反应器容积大 2 3 研究方案的选择 10 生物脱氮技术由于具有处理效果好 处理过程稳定可靠和操作管理方便等优点而 得到广泛运用 为水体中氨氮的去除提供了有效手段 生化法脱氨氮的形式多种多样 且因其经济和无二次污染等特点而具有很大潜力 成为研究的焦点 同时 焦化厂的 氨水中含有的酚 氰等只有经过生化处理之后 才能达到排放标准 生物脱氮技术目 前是焦化行业认同的最好的脱氨氮的方法 然而 焦化厂生化处理工艺还是存在流程长 费用高 投资大等特点 且对入水 有一定的要求 为了减轻生化处理负载 必须要对剩余氨水进行预处理 目前 预处理的方法有空气吹脱法 絮凝沉淀法 折点加氯法 沸石吸附法 蒸 氨法等 絮凝沉淀法可用于高氨氮废水的预处理 但运行费高 折点加氯法和沸石吸附法 都适用于深度处理 但前者液氯费用太高且难保存 而后者再生液的处理仍是一个问 题 蒸氨法能耗大 成本高 固定铵盐的脱除率低 总 NH3 N 高 使活性污泥生化 处理的负荷较大 长期以来焦化厂氨氮废水的处理很难达到国家废水处理的排放标准 空气吹脱法 没有彻底解决氨氮的污染问题 而是成为了二次污染源进入了大气 另 外上述的方法中所加的试剂 NaOH MgOH 等 对生化处理有很大的影响 也就是说 从工艺的匹配性来说 以上脱氨工艺都与后续的生化处理结合的不太好 因此 考虑到工艺的匹配性 水量 处理场地 回收的经济价值 药剂来源及运 输条件 管理方便与否 运行费用等各方面的要求 我们采用煤气吹脱解吸法来对剩 余氨水进行处理 希望为焦化厂剩余氨水的处理和综合利用找出一条新的有效途径 同时我们知道 A2 O 工艺具有较高的去除污水中有机物脱氮除磷的效果 但 A2 O 工艺的操作管理教一般的活性污泥法要求严格 各种条件要控制好 要求操作管理人 员严格控制好工艺条件 否则将达不到预期的目的 而且还存在着污泥负荷不能太高 的弱点 但是 在脱氮除磷减轻水体富营养化方面 A2 O 工艺是颇有发展前途的处理 工艺 该法在厌氧部分不需要供氧 电耗少 运行费用低 并且剩余污泥量少 可使 污泥处理费用比较大幅度地减少 不仅是节能污水处理工艺 同时也是经济有效的脱 氮除磷较先进工艺 而吹脱法具有运行成本低 工艺简单 便于操作等优点 以及与 A2 O 生化处理工 艺的适应性 取得了较好的效果 经处理后的废水中氨氮的脱除率达到 98 以上 大 17 51 大减轻了 A2 O 法的负荷 这是处理焦化废水的关键 2 4 煤气吹脱法工艺叙述 2 4 1 剩余氨水处理工段工艺原理及处理方法 12 在焦炉煤气初冷过程中形成了大量氨水 其中部分用做循环氨水喷洒冷却集气管 得煤气 多余部分称为剩余氨水 该氨水需经过除油 蒸氨等处理后才能外排 一般 焦化厂剩余氨水处理系统中常出现带油现象严重 经常造成管道 换热器堵塞 并直 接导致塔阻力增大 同时剩余氨水换热系统换热面积不够 流量小 剩余氨水温度高 影响了煤气脱硫洗氨得效果 加剧了管道及设备得腐蚀 本设计所采用的主要技术为吹脱法 当废水中含有可挥发性物质 如硫化氢 氨气 等 时 可以用向废水中通入蒸汽的方法将之提取出来 这就是 吹脱 带出来的 挥发性物质可以通过适当的方法加以回收利用 氨氮的去除率是指通过处理 从废水中除掉的氨氮的量占原废水中氨氮总量的百 分比 废水中的氨氮多数是以铵离子 NH4 和游离氨 NH3 的状态存在 并且它们之间 存在如下的平衡关系 32324 NHH ONHH ONHOH 显然 游离氨的浓度与废水的 pH 值有关系 pH 值越高 游离氨的浓度越高 常 温时 当 PH 值为 7 左右时氨氮大多数以铵离子状态存在 而 PH 为 11 左右时 游离 氨大致占 90 当水的 PH 值升高 呈游离状态的氨易于逸出 若加以搅拌 曝气等物理作用更可 促使氨从水中溢出 在实际工程中 大多采用吹脱塔 吹脱塔的构造一般采用气液接 触装置 通常以石灰作为碱剂处理 经石灰调节 PH 值后的水从塔的上部淋撒到填料上 而形成水滴 而下部的煤气鼓泡而出与水逆流接触 完成传质过程 使氨由液相转变 为气相 随煤气而出 完成吹脱过程 2 4 2 工艺流程的选择比较 剩余氨水的处理方法如前所述 一般使用蒸氨法 然后配合生化处理 达到处理 要求 本处设计使用煤气吹脱解析法 煤气吹脱法处理剩余氨水的工艺流程主要有两 种 主体部分大致相同 如下图 2 10 所示 来自碱槽的碱液和从集气管下来的经陶瓷 膜过滤器除去焦油后的 80 左右剩余氨水混合后 于漩流式反应器中反应 由于有碱 液的参与 在漩流式反应器中大部分的固定铵盐经反应转换为易分解的挥发铵盐 然 后进入吹脱塔 在吹脱塔中 煤气分两段鼓入 与剩余氨水逆向接触 吹脱塔安有夹 套通入蒸气使反应温度保持在 80 左右 吹脱完后的煤气在塔的中部与冷凝水换热 温度降到 45 同时大量的饱和氨水冷凝下来 最后煤气通过塔上部的抽雾层排出 18 51 排出后的煤气温度较低 而且含的水蒸气也较少 之后煤气送入硫酸饱和器除氨 然 后再送往粗苯工段脱除粗苯 最后送往焦炉或燃气厂 而由吹脱塔底排除的废液经换 热后送往生化工段使用 A2 O 法处理 这两种工艺的差别在于用于吹脱的煤气的来源 如下图 2 10 所示 a 法中的煤气 来自于粗苯工段以后 b 法的煤气来自于粗苯前硫胺后 两种工艺各有利弊 a 法中 煤气比较纯净 但是此处煤气相比 b 法中煤气的压力较小 而且从此处引出煤气对硫 胺和粗苯工段都会产生负担 b 法中 煤气不如 a 法纯净 但是氨含量相差也不大 而 且引出煤气的压力也会大些 只会对硫胺工段产生负但 所以本设计中采用 b 法 并 且对于煤气压力不够的情况 我们考虑在煤气进入吹脱塔前加入鼓风机 以供予足够 的压力 图 2 10 煤气吹脱解吸法处理剩余氨水的工艺流程图 1 吹脱解析器 2 鼓风系统 3 喷淋式饱和器 4 粗笨回收系统 5 焦炉或燃气厂 6 鼓风机 7 固定铵盐反应器 19 51 3 设备选型与计算 3 1 概述 化工设备是组成化工装置的基本单元 也是工程设计的基础 化工设备从设计的 角度可以分为两类 一类称标准设备或定型设备 是成批成系列生产的设备 可以从 设备生产产家买到 并可以从产品目录或手册中查阅其规格及牌号 例如各种泵 压 缩机 风机 电机等 另一类称非标准设备或非定型设备 是化工过程需要专门设计 的特殊设备 是根据工艺要求 通过工艺计算及机械计算而设计的 例如反应器 换 热器 冷凝器 贮槽 各种管道等 在化工生产传质过程中 伴随着能量的变化 为维持在一定温度下进行反应 常 有热量的加入或放出 常用的热源有热水 蒸汽 低压 高压 过热 导热油 道生 联苯与二苯醚的混合物 液体 道生蒸汽 烟道气 电 熔盐等 冷源有冷却盐水 液 氨等 由于本处理工艺的反应过程的最佳温度为 80 而且煤气进气分为两段 因此 吹脱塔设计为两端夹套式 通入蒸气保持温度 另外为了防止煤气温度过高从而饱和 水蒸气中带走过多氨 于出脱器中部设计一段冷凝段 将煤气温度降低到 45 左右 通过文献查阅可知 热源使用饱和蒸汽 冷源采用冷却水 饱和蒸汽的冷凝潜热大 热利用率高 温度易于控制调节 冷却水是最普