多面球填料塔的氨吹脱传质速率的影响因素汪海涛

第43卷第4期中南大学学报(自然科学版)Vol.43No.42012年4月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Apr.2012多面球填料塔的氨吹脱传质速率的影响因素汪海涛，周康根，彭佳乐，胡元娟(中南大学冶金科学与工程学院，湖南长沙，410083)摘要：以钒冶炼厂高浓度氨氮废水为处理对象，设计由多面球填料吹脱塔、吸收塔(填料体积均为1m3)和吹脱空气、废水、吸收液循环管道系统构成的氨吹脱系统，研究氨氮废水的循环流量、温度与pH，吸收液循环流量和pH以及吹脱空气循环流量等因素对氨氮吹脱速率的影响，得到不同条件下氨的总液相传质系数。研究结果表明：在最佳条件下，氨的总液相传质系数KL=7.2mm/h。关键词：钒冶炼；氨氮废水；吹脱；传质系数中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：1672−7207(2012)04−1211−06Factorseffectingmasstransferratesforairstrippingofammoniainmulti-face-ballpackedtowerfromammonia-nitrogenwastewaterWANGHai-tao,ZHOUKang-gen,PENGJia-le,HUYuan-juan(SchoolofMetallurgicalScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Theremovalandrecoveryofconcentratedammoniafromammonia-nitrogenwastewaterfromavanadiumextractionprocesswerestudied.Anairstrippingsystemwasbuilt,consistingofmulti-face-ballpackedstrippingtowerandadsorptiontower,andpipelinesystemforcirculationofthewastewater,adsorptionsolutionandstrippingair.Theeffectsoffactorssuchasflowrate,temperatureandpHvalueofthewastewater,flowrateandpHvalueofHCladsorptionsolution,andairflowrateonmasstransferrateofammoniawereinvestigated.Theresultsshowthatunderthebestconditionsofstrippingandabsorptionprocesses,theammoniastrippingmasstransfercoefficientKLis7.2mm/h.Keywords:vanadiumextraction;ammoniawastewater;airstripping;masstransfercoefficient高浓度氨氮废水广泛存在于石油化工、有色金属冶炼、化肥、肉食品加工等行业。氨氮废水排入水体尤其是湖泊、海湾等流动较缓慢的水体容易引起藻类等微生物大量繁殖，导致水体富营养化[1]，严重的还会导致水体黑臭，甚至对动物和人群产生毒害作用。含氮废水的危害已经引起全球范围环保领域的重视。去除废水中氨氮的方法有很多[2−3]，常用的有吹脱法、化学沉淀法[4]、沸石吸附法[5]、生物脱氮法[6]和折点氯化法等。吹脱法主要基于气液传质原理，通过调节pH使废水中NH4+转化为游离NH3，然后通过大量曝气使水中NH3向大气转移。吹脱法在国内外广泛应用于高浓度氨氮废水的预处理[7−8]，其特点是在氨氮浓度高时吹脱速率高，处理费用相对较低，但随着氨氮浓度的降低，特别是当氨氮质量浓度低于1g/L以下时，吹脱速率显著降低。单纯通过吹脱法使氨氮浓度达到废水排放标准非常困难。因此，吹脱法通常与其他方法，如折点氯化法等联合使用。对于吹脱−折点脱氯工艺，考虑到折点脱氯[9−10]的经济性，需用吹脱法将氨氮质量浓度吹脱到100mg/L以下，吹脱工序的负担依然较重。作者所在课题组最近开发了一种以载铜阳离子交换树脂为吸附剂的氨氮废水处理新技术[11]，对于氨氮质量浓度1g/L以下的氨氮废水，具有良好的处理效收稿日期：2011−06−11；修回日期：2011−08−20基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174238)通信作者：周康根(1963−)，男，湖南涟源人，教授，博士生导师，从事工业废水处理研究；电话：[phone]；E-mail：[e-mail]中南大学学报(自然科学版)第43卷1212果和经济性。在此基础上提出了吹脱−载铜树脂吸附法处理氨氮废水新工艺。本文作者以吹脱后废水氨氮质量浓度达到1g/L为目标，针对传统吹脱法中吹脱气体排空对大气环境存在不同程度影响的问题，设计了吹脱气体闭路循环的吹脱−吸收系统，系统地测量了气液比；氨氮废水的流量、温度、pH，吸收液的流量和pH等因素对氨氮吹脱速率的影响，得到吹脱系统设计所需的氨氮吹脱传质系数。1试验材料与方法1.1废水来源与性质废水来源于湖南省怀化市某钒业公司，该公司年产800~1000tV2O5，氨氮废水的日排放量约40m3。在NaVO3溶液的NH4Cl沉钒制备NH4VO3的过程中，会产生高NaCl质量浓度(40~60g/L)、高氨氮质量浓度(8~15g/L)的废水。1.2试验设备与方法试验用吹脱−吸收系统由吹脱与吸收用填料塔、风机、溶液输送泵、吹脱液池和吸收液池等组成，具体设备流程见图1。吹脱及吸收塔由聚丙烯材料加工而成，塔径1.2m，塔高4.0m，内填直径50mm的空心多面球填料，填料高1.0m；连接吹脱与吸收塔的通风管内径0.35m；流量计4个，聚四氟乙烯耐腐蚀泵2台，耐腐蚀风机1套(4.0kW)以及风机功率调节用变频器1台。系统包括3个循环：氨氮废水在吹脱液池和吹脱塔间的循环；吸收液在吸收液池和吸收塔间的循环；吹脱气体在吹脱塔和吸收塔间的循环。试验用废水初值氨氮质量浓度约10g/L，每次试验废水用量4.0m3，吹脱前用固碱调节至一定pH(以下称为初始pH)。为了防止盐酸浓度过高而引起吸收过程中盐酸挥发损失，吸收液通过连续加入HCl，控制试验过程中吸收液pH在所定范围。风机出风量通过变频器的调节来控制；每隔一定时间取吹脱池中的废水，分析废水中氨氮浓度随吹脱时间的变化。1.3试验仪器主要试验仪器有：pH-phs-25型酸度计；7225分光光度仪(氨氮−纳氏试剂比色法)；法国Kimo-MP120型压差风速仪；台达VFD-E型变频器。1.4数据处理根据Matter-Muller等[12−13]的理论得知，在一套固定的吹脱系统中，对于含有挥发性组分A的循环吹脱系统，吹脱池中挥发性组分A的浓度变化与时间的关系可用式(1)表示：tHQVaKVHQ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=−AGLLLAG0texp1lnρρ(1)其中：ρt和ρ0分别为A在t时刻和初始时的质量浓度，g/m3；HA为无因次亨利系数；KL为总液相传质系数，1—NaOH高位池；2—浓盐酸高位储槽；3—废水循环泵；4—吸收液循环泵；5—风机；6—pH计图1氨氮吹脱试验流程简图Fig.1Flowchartofammoniastrippingtest第4期汪海涛，等：多面球填料塔的氨吹脱传质速率的影响因素1213m/h；VL为液体的总体积，m3；QG为气体流量，m3/h；t为吹脱时间，h；a为单位体积废水的气液界面积，m2/m3；当KLaVL/(HAQG)＜＜1时，式(1)可化简为：taKL0tln=−ρρ(2)式(2)适合于吹脱出口空气中A的浓度远未达到饱和的情况，在试验系统中，氨是一种极易溶解的气体，且吹脱气中的氨在系统中停留时间非常短暂便被吸收塔吸收，故吹脱气体中的氨远未达到饱和状态，因此氨的传质系数可根据式(2)进行计算。该理论式在其他一些类似的吹脱试验的数据处理[14−15]中也已被验证及应用。对于填料塔，a=rat其中：at为单位体积填料的表面积，m2/m3；r为填料与吹脱池废水的体积比。在本试验中r=0.25，at=236m2/m3，由式(2)可转化为：tKL0t59ln=−ρρ(3)由式(3)可以看出：在吹脱过程中，任意时刻氨氮浓度与废水初始氨氮浓度的比值的负对数与吹脱时间呈线性关系，从直线斜率可以得出氨氮废水吹脱过程的总液相传质系数KL。2试验结果与讨论2.1废水温度对吹脱速率的影响在废水循环流量5.0m3/h、废水初始pH=10.4、吸收液循环流量6.0m3/h、吸收液pH=0.25~0.40及风机频率50Hz的条件下，测定了在20.7，23.4，25.3和29.0℃下废水氨氮浓度随时间的变化，结果如图2所示。从图2可以看出：传质系数KL随着温度的上升而提高。2.2废水初始pH对吹脱速率的影响控制废水温度约25℃、废水循环流量5.0m3/h、吸收液循环流量6.0m3/h、吸收液pH=0.25~0.40及风机频率50Hz，测定了吹脱速率随废水初始pH的变化对吹脱速率的影响，试验结果见图3。由图3可以看出：随着废水初始pH的不断升高，传质系数KL也不断增大，但增幅逐渐减缓。周明罗等[16]研究废水pH对氨氮吹脱速率的影响，研究结果同样表明：当废水初始pH大于11.0后，再增大pH，吹脱速率提升缓慢。由NH4++H2O=NH3·H2O+H+的电离平衡关系可知，水中游离氨的摩尔分数R可表示为平衡常数Kp及pH的函数：R=1/(1+10Kp−pH)。其中，Kp=9.24。R随pH的变化见表1。从表1可见：当pH达到11.0时，继续提高pH，R提高不大。因此，应用中废水pH控制在11.0~11.5为宜。温度/℃，KL/(10−3·m·h−1)：1—29.0，7.07；2—25.3，5.85；3—23.4，4.92；4—20.7，4.29图2废水温度对氨的吹脱速率的影响Fig.2InfluenceofwastewatertemperatureonstrippingrateofammoniapH，KL/(10−3·m·h−1)：1—11.5，7.22；2—11.0，6.19；3—10.4，4.42；4—9.90，3.02图3废水初始pH对吹脱速率的影响Fig.3InfluenceofwastewaterpHonstrippingrateofammonia表1游离氨的摩尔分数随pH的变化Table1ChangesinmolarfractionoffreeammoniawithpH9.09.510.010.511.011.512.00.3650.6450.8520.9480.9830.9950.998中南大学学报(自然科学版)第43卷12142.3废水循环流量对吹脱速率的影响控制废水温度约25℃、废水初始pH=10.4、吸收液流量6.0m3/h，吸收液pH=0.25~0.40、风机频率50Hz，考察废水循环流量对吹脱速率的影响，结果见图4。Q/(m3·h−1)，KL/(10−3·m·h−1)：1—6.0，4.92；2—5.0，4.69；3—4.0，4.61图4废水循环流量对吹脱速率的影响Fig.4Influenceofwastewatercirculatingflowrateonstrippingrateofammonia由图4可以看出：吹脱速率并没有随着废水循环流量的增加而显著增大，只在6.0m3/h的废水循环流量时效果稍好。说明废水循环流量不是限制系统吹脱速率的主要因素，从节能的角度考虑，尚可适当降低废水循环流量。2.4吸收液循环流量对吹脱速率的影响为了考察吸收塔在不同喷淋流量下的吸收能力，为吸收液流量的选择提供依据，控制废水温度约25℃，废水循环流量5.0m3/h、废水初始pH=1