氨吹脱技术在香港填埋场渗沥液处理中的应用

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NH3+H+＝NH4+pH＝7，仅有NH4+存在，pH＞7，反应向左，pH＝12，仅有NH3存在。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/(m3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(SrinathandLoehr,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.DamhaugandJahren,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25m3沼气（CH450％）），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1800m3/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TseungKwanO填埋场应用，设计能力220m3/d。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原浓度出口浓度去除率甲烷50%0.002%99.996%氨气91,573mg/m347mg/m399.994%NO3.7mg/m39mg/m3NO23.8mg/m317mg/m3所有数据都已经校正到1,013mbar,3%Oxygenand0oC的干气体情况。Nent和Went的氨排放浓度控制：在进口浓度为6,700mg/l时排放浓度小于100mg/l。实际上如果当处理厂在最佳状态下运行时，排放值小于50mg/l。在TseungKwanO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。