專利名稱：一種氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及廢水處理技術領域，具體涉及一種節能型氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置和方法。
背景技術：
氨氮污染物一般指水中以游離氨(NH3)和銨離子(NH4+)形式存在的氮。氨氮具有很高的耗氧量，它對水生生物是有毒的，可激發其熵變。水體中含有大量的氨氮，使水體產生富營養化效應，刺激并加速水生植物的生長，如海藻、水草的大量生長繁殖，導致水體生態平衡失調，含氨氮的污水排人水體后，在硝化細菌的作用下氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽。完全氧化Img氨氮約需4. 6mg溶解氧，這對水體質量的改善和保證十分不利。氨氮是影響我國地表水環境質量的重要指標，長江、黃河、珠江、松花江、海河、遼河等全國主要流域水系中氨氮污染物都是造成水質超標的主要污染物，更是導致我國太湖、巢湖、滇池等湖泊水體產生水華、藍藻等富營養化問題的主要污染物。氨氮排放量遠超環境容量、污染負荷壓力大是造成目前地表水體氨氮超標的最主要原因。氨氮廢水對環境的影響已引起環保領域和全球范圍的重視，近20年來，國內外對氨氮廢水處理方面開展了較多的研究。其研究范圍涉及生物法、物化法的各種處理工藝，如生物方法有硝化和藻類養殖；物理方法有反滲透、蒸餾、氨吹脫、土壤灌溉等；化學法有離子交換法、化學沉淀法、折點氯化、電化學處理、催化裂解等。盡管目前氨氮的去除方法有多種，但是不管生物法還是物理法都有其自身的缺陷，比如1)離子交換法用離子交換樹脂吸附銨離子，以硫酸洗脫使樹脂再生，洗脫液硫酸銨經濃縮后為副產物，這個方法選擇性強，氨氮被回收制備成有用的硫酸銨產品，實現了氨氮的再資源化。但也存在明顯的缺點一離子交換樹脂需頻頻再生，藥消耗大，導致處理成本高；幻加氯法用氯將氨氧化，再經粒狀活性碳過濾將生成的氯化銨吸附，該法需要大量氯氣且產生二次污染；3)A/0生物法通過硝化和反硝化反應，將氨最終轉換成氨氣，處理效果好，較經濟，沒有二次污染，但需要廢水中含有有機碳源，無法直接處理工業上產生的高濃度氨氮廢水；4)膜分離法利用疏水性中中空纖維膜將NH3分離出來，用HCl吸收生成副產品NH4Cl,處理效果好，不足之處就是設備成本高，占用場地資源量大，設備折舊快，運行費用高力)吹脫法吹脫是利用廢水中所含的氨氮等揮發性物質的實際濃度與平衡濃度之間存在的差異，在堿性條件下用空氣吹脫，使廢水中的氨氮等揮發性物質不斷地從液相轉移到氣相中，從而實現去除廢水中氨氮的目的，傳統的吹脫法存在二次污染、能耗較高的問題；6)汽提法在堿性條件下用水蒸汽提餾廢水，使廢水中的氨氮等揮發性物質從液相轉移到蒸汽相中，達到去除實現廢水中氨氮的目的，含有氨的蒸汽再經精餾/冷凝/吸收/ 化學處理等方法制備成液氨、氨水或銨鹽等有使用價值的物質，實現氨氮的再資源化利用。高濃度無機氨氮廢水的汽提法具有脫氮率高、操作靈活、占地小、可連續化操作等優點，是目前無機氨氮廢水處理的主要方法。近年來，又有不少對傳統氨氮汽提法改進的方法出現。
傳統的氨氮汽提冷凝法采用單塔操作，氨氮廢水經過pH調整，并與處理后的凈化水進行熱交換后進入汽提塔，通過蒸汽汽提，在塔頂得到含氨蒸汽，將含氨蒸汽冷凝，得到濃度較低的氨水產品。氨氮精餾吸收制氨水法采用兩塔操作，氨氮廢水經過pH調整，并與處理后的凈化水進行熱交換后進入汽提塔，在提餾段通過蒸汽汽提，去除氨氮，在精餾段對含氨蒸汽進行濃縮得到濃度較高的氨蒸汽，冷凝后液相回流，氣相進入吸收塔進行吸收，得到濃度較高的氨水產品。此法的蒸汽消耗比傳統的汽提冷凝法要低，并且得到的氨水產品濃度較高。氨氮雙效汽提制氨水法采用兩塔操作，通過高壓塔蒸汽用于加熱低壓塔，達到重復利用蒸汽的效果，可有效減少蒸汽消耗量，與傳統的汽提制氨水法相比，蒸汽單耗可降低 40%左右。氨氮廢水回收氨制備硫酸銨的方法有多種。雙介質氨氮處理器+回收硫酸氨法是在堿性條件下將氨氮廢水和吸收硫酸銨溶液分別同時進入膜處理器兩側，作為膜一側的廢水分解產生的游離氨通過膜進入另一側的硫酸銨溶液，不斷被硫酸銨溶液吸收生成硫酸銨溶液，廢水中的氨氮逐步降低，經硫酸不斷吸收，硫酸銨濃度也不斷升高，從而達到一定的平衡。此方法的缺點是氨氮去除率較低，廢水氨氮濃度不宜過高。高效節能耦合汽提脫氨制備硫酸銨法(中國專利201010507488. 9)采用兩塔操作，通過汽提塔去除氨氮廢水中的氨氮，得到含氨蒸汽，再通過吸收塔利用稀硫酸吸收含氨蒸汽得到硫酸銨溶液，硫酸銨溶液經過雙效蒸發得到硫酸銨固體產品，吸收塔未吸收的蒸汽進入蒸汽輸送機加壓后重新用于汽提。由于循環利用了蒸汽，此方法的蒸汽單耗較低。部分氨氮廢水除了處理難度大，能耗高，存在二次污染等問題外，還存在易堵塞的難題。如有色金屬等行業產生的氨氮廢水中含有大量的固體沉淀物，極易使設備產生堵塞。
發明內容
針對上述現有技術中投資大、能耗高、有二次污染等缺陷，本發明提供了一種氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置和方法，具有節能效果好、占地面積少、投資成本少、 處理效果佳、適用范圍廣的優點。一種氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，包括反應汽提塔，所述的反應汽提塔的中部設有氨氮廢水進料口和吸收液出料口，反應汽提塔的底部設有凈化水出料口和蒸汽進料口，靠近塔頂處設有吸收液進料口，塔頂設有二次蒸汽出料口和工藝軟水進料口。 所述的反應汽提塔內部分為汽提段和反應段，所述的吸收液出料口以上部分為反應段，所述的氨氮廢水進料口以下部分為汽提段。作為一種優選，反應汽提塔內的反應段和汽提段之間由集液器分隔，反應段的液體全部由集液器收集后從反應汽提塔中部的吸收液出料口排出反應汽提塔，汽提段的上升蒸汽經由完全型集液器上的升氣管進入反應段，廢水進料口設置在集液器下方。所述的反應汽提塔采用穿流型多層階梯角型材塔板，防止物料、廢水懸浮物、結垢等造成的裝置堵塞，防止氣相短路現象，增大單位塔高所對應的相際傳質面積，提高塔板效率。所述的反應汽提塔為變徑塔，反應段塔徑小于汽提段塔徑，以提高吸收段的氣液接觸效果，適應吸收段的氣液負荷，提高傳質效率。所述的反應汽提塔的塔頂設有工藝軟水進料口，用于加入工藝軟水以防治二次蒸汽可能夾帶的酸霧。作為一種優選方案，所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置還包括蒸汽增壓式熱泵、吸收液循環泵、原料預熱換熱器和軟水預熱換熱器；所述的反應汽提塔的氨氮廢水進料口與原料預熱換熱器相連，所述的吸收液出料口通過吸收液循環泵分別連接吸收液進料口和軟水預熱換熱器，所述的軟水預熱換熱器的工藝軟水出口連接反應汽提塔塔頂的工藝軟水進料口，所述的蒸汽噴射式熱泵的蒸汽進口連接反應汽提塔塔頂的蒸汽出料口，蒸汽噴射式熱泵的蒸汽出口與反應汽提塔塔底的蒸汽進料口相連。所述的蒸汽增壓式熱泵可選用蒸汽噴射式熱泵和機械壓縮式熱泵中的一種或二者的組合。一種采用上述裝置進行氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的方法，包括以下步驟a.需要處理的氨氮廢水原料從氨氮廢水進料口進入汽提段，水蒸汽從蒸汽進料口進入汽提段，氨氮廢水與上升蒸汽逆流接觸進行汽提處理，脫除氨氮轉化為凈化水，脫除氨氮后的凈化水從反應汽提塔底部的凈化水出料口離開反應汽提塔；b.吸收液從吸收液進料口進入塔內反應段，與來自汽提段的上升蒸汽逆流接觸， 吸收上升蒸汽中所含的氨，吸收液中的硫酸與吸收的氨發生化學反應生成硫酸銨，硫酸銨溶液從吸收液出料口離開反應汽提塔；反應段的上升蒸汽經反應吸收脫除所含的氨后成為二次蒸汽，與從工藝軟水進料口進入的工藝軟水逆流接觸后，從二次蒸汽出料口離開反應汽提塔。作為優選，所述的離開反應汽提塔的二次蒸汽進入蒸汽增壓式熱泵提高蒸汽壓力并與生蒸汽混合后返回反應汽提塔的汽提段。所述的離開反應汽提塔的凈化水與進入反應汽提塔之前的氨氮廢水原料進行換熱，進入反應汽提塔前的工藝軟水與離開系統前的硫酸銨溶液進行換熱，以提高能量利用率。所述的離開反應汽提塔的硫酸銨溶液分為兩部分，一部分硫酸銨溶液離開系統去后續工序，另一部分添加硫酸后作為吸收液從吸收液進料口進入反應汽提塔，后者的硫酸銨溶液的量與前者的比值定義為循環比。所述的氨氮廢水原料中的氨氮含量為500 60000mg/L，還可含有其他可溶性鹽類及不溶性固體懸浮顆粒；處理含固體懸浮顆粒的氨氮廢水時，可對換熱后的凈化水進行預濾處理，得到不含固體懸浮顆粒的凈化水和含固體懸浮顆粒的濃縮液。所述的氨氮廢水原料在預熱前，先與氫氧化鈉水溶液混合，使排出的凈化水的PH 值達到9. 5 11. 0。所述的吸收液的循環比為2 20，pH值為1. 0 5. 0。所述的蒸汽量與生蒸汽量的比例為1. 0 4. 0。所述的離開系統的硫酸銨溶液的質量濃度為5% 40%。本發明提供了氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的反應汽提法，得到的產品為硫酸銨溶液，選用蒸汽增壓式熱泵重復利用蒸汽熱能，占地面積小，管線短，同時熱損失小，節能效果好，蒸汽單耗低于目前公開的各種其它方法。另外，本發明提供的方法具有良好的防堵塞能力，可以處理含大量固體懸浮顆粒的氨氮廢水。本發明的裝置和方法與現有技術相比，具有如下優點吸收反應和汽提在同一個反應汽提塔內實現，占地面積小，極大地降低了熱損失；采用熱集成技術，將反應汽提塔塔底排出的凈化水與原料廢水進行熱交換，吸收液循環泵排出的硫酸銨溶液產品與工藝軟水進行熱交換，充分回收排出系統的物流的余熱；二次利用汽提塔塔頂的蒸汽，降低了總的蒸汽消耗。
圖1為本發明工藝的流程框圖。圖2為本發明實施例1的工藝流程示意圖。圖3為本發明實施例2的工藝流程示意圖。附圖標記說明Tl-反應汽提塔；PMl-蒸汽增壓式熱泵；PM2-吸收液循環泵；EXl-原料預熱換熱器；EX2-軟水預熱換熱器；Vl-預濾器；FO-氨氮廢水原料；Fl-氫氧化鈉水溶液；F2-稀硫酸溶液；F3-工藝軟水；Pl-凈化水；P2-硫酸銨產品；P3-濃縮液；SO-生蒸汽；
具體實施例方式實施例1如圖2所示，一種節能型氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，包括反應汽提塔Tl、蒸汽增壓式熱泵PMl、吸收液循環泵PM2以及原料預熱換熱器EXl、軟水預熱換熱器 EX2。蒸汽增壓式熱泵PMl選用蒸汽噴射式熱泵。反應汽提塔Tl的中部設有氨氮廢水進料口和吸收液出料口，底部設有凈化水出料口和蒸汽進料口，靠近塔頂處設有吸收液進料口， 塔頂設有軟水進料口和二次蒸汽出料口 ；其中，氨氮廢水進料口與原料預熱換熱器EXl相連，吸收液出料口通過吸收液循環泵PM2分別連接吸收液進料口和軟水預熱換熱器EX2，軟水預熱換熱器EX2連接反應汽提塔Tl塔頂的工藝軟水進料口 ；蒸汽噴射式熱泵PMl的蒸汽進口、蒸汽出口分別與反應汽提塔Tl塔頂的二次蒸汽出料口、反應汽提塔Tl塔底的蒸汽進料口相連。本發明裝置運行時，氨氮廢水原料FO與氫氧化鈉水溶液Fl混合，混合液經原料預熱換熱器EXl預熱后，從氨氮廢水進料口通入到反應汽提塔Tl的汽提段中，與塔底上升的蒸汽逆流接觸，使廢水中的氨氮由液相進入氣相；汽提處理后得到的凈化水Pl從反應汽提塔Tl塔底排出，進入原料預熱換熱器EX1，與氨氮廢水原料換熱后作為凈化水排出；汽提段內的含氨蒸汽上升至反應汽提塔Tl的反應段，與吸收液進口處送入的吸收液發生傳質作用，得到的硫酸銨溶液經反應汽提塔Tl中部的吸收液出料口排出，送去吸收液循環泵PM2 加壓；加壓后出吸收液PM2的吸收液分為二部分，一部分去軟水預熱換熱器EX2與工藝軟水 F3換熱后作為硫酸銨溶液產品P2排出，另一部分與稀硫酸溶液F2混合后作為吸收液進入反應汽提塔Tl ；工藝軟水F3經軟水預熱換熱器EX2預熱后，從反應氣體塔Tl塔頂進入塔內；從反應汽提塔Tl塔頂排出潔凈的低壓蒸汽，潔凈的低壓蒸汽從蒸汽進口進入蒸汽噴射式熱泵PM1，與壓力較高的生蒸汽SO混合后，從蒸汽噴射式熱泵PMl的蒸汽出口排出，進入反應汽提塔Tl塔底的蒸汽進料口。其中，氨氮廢水原料FO的進料量為15000kg/h，氨氮10000mg/L ；氫氧化鈉水溶液 Fl流量為50kg/h，氫氧化鈉含量為30%，處理后的凈化水Pl氨氮含量為8. 6mg/L，吸收液循環比為5. 2，稀硫酸F2流量為400kg/h，硫酸濃度為50%，工藝軟水F3流量為300kg/h， 得到的硫酸銨P2質量濃度為39%，生蒸汽SO使用量為590kg/h，蒸汽循環比，即從蒸汽噴射式熱泵PMl排出的蒸汽的量與生蒸汽的量的比值為3. 0。實施例2如圖3所示，一種節能型氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，其中氨氮廢水中含有固體懸浮顆粒，并且在后續的工段中需要回收這些固體懸浮顆粒，與實施例1的不同之處在于原料預熱換熱器組EXl的凈化水出料口連接有固體懸浮顆粒預濾器VI，從原料預熱換熱器組EXl排出的凈化水進入預濾器VI，在預濾器Vl的上部排出不含固體懸浮顆粒的凈化水P1，下部排出含較高濃度固體懸浮顆粒的濃縮液P3 ；蒸汽增壓式熱泵PMl選用機械壓縮式熱泵；反應汽提塔所用塔板為穿流型多層角型材塔板，相鄰兩層角型材呈平行錯位排列，塔板的詳細結構可參考授權公告號為CN1170610C的中國專利。其中，氨氮廢水原料FO的進料量為20000kg/h，氨氮12000mg/L，另外含有硫酸納 12%以及3%固體懸浮顆粒(質量分數)，氫氧化鈉水溶液Fl流量為70kg/h，氫氧化鈉含量為30%，處理后的凈化水Pl氨氮含量為7. 5mg/L,吸收液循環比為4. 6，稀硫酸F2流量為550kg/h，硫酸濃度為50%，工藝軟水F3流量為400kg/h，得到的硫酸銨P2質量濃度為 37%，生蒸汽SO使用量為830kg/h，蒸汽循環比為3. 1，濃縮液P3的固體懸浮顆粒質量分數為 41%。
權利要求
1.一種氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，包括反應汽提塔，其特征在于所述的反應汽提塔的中部設有氨氮廢水進料口和吸收液出料口，反應汽提塔的底部設有凈化水出料口和蒸汽進料口，靠近塔頂處設有吸收液進料口，塔頂設有二次蒸汽出料口和工藝軟水進料口；所述的反應汽提塔內部分為汽提段和反應段，所述的吸收液出料口以上部分為反應段，所述的氨氮廢水進料口以下部分為汽提段。
2.如權利要求1所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，其特征在于所述的汽提段和反應段由集液器分隔。
3.如權利要求1所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，其特征在于所述的反應汽提塔采用穿流型多層階梯角型材塔板。
4.如權利要求1所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，其特征在于所述的反應汽提塔為變徑塔，反應段塔徑小于汽提段塔徑。
5.如權利要求1 4所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，其特征在于 所述的裝置還包括蒸汽增壓式熱泵、吸收液循環泵、原料預熱換熱器和軟水預熱換熱器，所述的反應汽提塔的氨氮廢水進料口與原料預熱換熱器相連，所述的吸收液出料口通過吸收液循環泵分別連接吸收液進料口和軟水預熱換熱器，所述的軟水預熱換熱器的工藝軟水出口連接反應汽提塔塔頂的工藝軟水進料口；所述的蒸汽噴射式熱泵的蒸汽進口連接反應汽提塔塔頂的蒸汽出料口，蒸汽噴射式熱泵的蒸汽出口與反應汽提塔塔底的蒸汽進料口相連；反應汽提塔塔頂的二次蒸汽出料口與蒸汽增壓式熱泵的蒸汽進口相連，蒸汽增壓式熱泵的蒸汽出口與反應汽提塔塔底的蒸汽進料口相連。
6.如權利要求5所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，其特征在于所述的蒸汽增壓式熱泵為蒸汽噴射式熱泵和機械壓縮式熱泵中的一種或二者的組合。
7.一種采用如權利要求1 4任一所述裝置進行氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的方法，其特征在于，包括以下步驟a.需要處理的氨氮廢水原料從氨氮廢水進料口進入反應汽提塔，水蒸汽從蒸汽進料口進入汽提段，氨氮廢水與上升蒸汽逆流接觸進行汽提處理，脫除氨氮轉化為凈化水，脫除氨氮后的凈化水從凈化水出料口離開反應汽提塔；b.吸收液從吸收液進料口進入反應汽提塔的反應段，與來自汽提段的上升蒸汽逆流接觸，吸收上升蒸汽中所含的氨生成硫酸銨，硫酸銨溶液從吸收液出料口離開反應汽提塔，反應段的上升蒸汽經反應吸收脫除所含的氨后成為二次蒸汽，與從工藝軟水進料口進入的工藝軟水逆流接觸后，從二次蒸汽出料口離開反應汽提塔。
8.如權利要求7所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的方法，其特征在于所述的二次蒸汽經增壓后與生蒸汽混合，從反應汽提塔的蒸汽進料口進入。
9.如權利要求7所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的方法，其特征在于所述的出反應汽提塔的凈化水與進入反應汽提塔之前的氨氮廢水原料進行換熱后再排放；所述的工藝軟水進入反應汽提塔前與從吸收液出口出來的硫酸銨溶液進行換熱。
10.如權利要求7所述的氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的方法，其特征在于所述的離開反應汽提塔的硫酸銨溶液分為兩部分，一部分硫酸銨溶液離開系統作為硫酸銨產品，另一部分添加硫酸后作為吸收液從吸收液進料口進入反應汽提塔，吸收液的循環比為.2 20，pH 值為 1. 0 5. 0。
11.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述的氨氮廢水原料先與氫氧化鈉水溶液混合，使排出的凈化水的PH值達到9. 5 11. 0。
全文摘要
本發明公開了一種氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的裝置，包括反應汽提塔、蒸汽增壓式熱泵、吸收液循環泵、原料預熱換熱器和軟水預熱換熱器，所述的反應汽提塔內部分為汽提段和反應段，所述的反應汽提塔的中部設有氨氮廢水進料口和吸收液出料口，底部設有凈化水出料口和蒸汽進料口，靠近塔頂處設有吸收液進料口，塔頂設有二次蒸汽出料口。本發明還公開了利用上述裝置進行氨氮廢水處理并回收氨制備硫酸銨的方法。本發明方法和裝置節能效果好、熱損失小，充分利用熱交換回收余熱，投資成本少，可有效處理氨氮廢水。
文檔編號C01C1/242GK102503016SQ201110426110
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者吳嘉, 李偉, 林龍勇, 胡曉萍, 蔣蔚清 申請人:杭州浙大合力科技有限公司