微波加熱法脫除煉焦剩余氨水氨氮的工藝研究

剩余氨水是焦化廢水的主要來(lái)源，其水量大、水質(zhì)復(fù)雜、污染物濃度高，其中氨氮含量高達(dá)3000～5000 mg·L-1。如果不經(jīng)處理就大量排放，不僅會(huì)污染水環(huán)境，而且會(huì)造成用水設(shè)備中微生物繁殖，形成生物垢，堵塞管道和用水設(shè)備，影響熱交換[1]。國(guó)內(nèi)外成熟的氨氮脫除方法有生物法、蒸氨法、催化濕式氧化法[2]、化學(xué)沉淀法[3]及煤氣吹脫氨技術(shù)[4]等。

武鋼焦化廠將脫硫工序產(chǎn)生的廢堿液用于分解氨水中的固定氨(廢堿液的主要組分是Na2CO3，還含有少量的Na2S和NaHCO3)，實(shí)現(xiàn)了廢物的綜合利用，降低了生產(chǎn)成本，但廢堿液對(duì)固定氨的分解效果并不太好，蒸氨塔出塔廢水中總氨含量為400～500 mg·L-1，超過(guò)后續(xù)處理所規(guī)定的達(dá)標(biāo)值300 mg·L-1。為了進(jìn)一步降低焦化廢水中的固定氨含量，作者采用微波加熱和空氣吹脫聯(lián)合處理工藝，對(duì)剩余氨水中氨氮進(jìn)行脫除，以使剩余氨水中氨氮含量低于300 mg·L-1。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原理

1.2 儀器

PJ23 c-sc1型美的微波爐，ZB-0.01/7型微型空氣壓縮機(jī)，DP-125型微型高壓隔膜泵，玻璃反應(yīng)釜，轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

1.3 方法

1.3.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

取100 mL剩余氨水于500 mL燒杯中，加入1.0008 g氫氧化鈉，調(diào)節(jié)微波功率至720 W，微波輻射5 min，測(cè)定剩余氨水中的氨氮含量。

1.3.2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

在剩余氨水流量為4 mL·min-1、加堿量與剩余氨水的體積比為0.15∶1、微波功率為720 W、空氣流量為0.6 m3·h-1的條件下吹脫，測(cè)定吹脫平衡后剩余氨水中的氨氮含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波加熱靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 加堿量對(duì)氨氮脫除率的影響

在100 mL剩余氨水中加入不同量的堿，在微波功率720 W下輻射5 min，考察加堿量對(duì)氨氮脫除率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 加堿量對(duì)氨氮脫除率的影響

由表1可看出，氨氮脫除率隨加堿量的增加而增大。在加堿量為1.0032 g·(100 mL)-1時(shí)，脫除率達(dá)到最大，為98.14%。這是因?yàn)榧訅A量越大，剩余氨水的堿性越強(qiáng)，溶液中的氨以游離氨的形式存在的比例越大，氨氮脫除率相應(yīng)增大。

2.1.2 微波輻射時(shí)間對(duì)氨氮脫除率的影響

在100 mL剩余氨水中加入一定量的堿，微波功率為720 W，考察微波輻射時(shí)間對(duì)氨氮脫除率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 微波輻射時(shí)間對(duì)氨氮脫除率的影響

由表2可看出，氨氮脫除率隨輻射時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。微波輻射時(shí)間不足5 min時(shí)，脫除率的增幅較大；微波輻射時(shí)間超過(guò)5 min時(shí)，脫除率的增幅很小。這是因?yàn)?，微波輻射時(shí)間越長(zhǎng)，溶液產(chǎn)生熱量越大，溶液的溫度越高，而氨在剩余氨水中的溶解度隨溫度的升高而降低，溫度越高，越有利于氨氮的脫除。當(dāng)微波輻射時(shí)間超過(guò)5 min后，溶液中的氨氮濃度降到很低，氣液兩相濃度差較小，傳質(zhì)推動(dòng)力變小，從液相轉(zhuǎn)移到氣相的氨變少，使得脫除率增幅變小。

2.1.3 微波功率對(duì)氨氮脫除率的影響

在100 mL剩余氨水中加入1.0008 g堿，微波輻射5 min，考察微波功率對(duì)氨氮脫除率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 微波功率對(duì)氨氮脫除率的影響

由表3可看出，氨氮脫除率隨微波功率的增大而增大。微波功率小于720 W時(shí)，脫除率增幅很大；微波功率大于720 W時(shí)，脫除率增幅很小；微波功率為900 W時(shí)，氨氮脫除率達(dá)到98.72%。這是因?yàn)椋⒉üβ试酱?，同一時(shí)間內(nèi)溶液產(chǎn)生的熱量越大，溶液溫度越高，越有利于氨氮的脫除。

2.2 微波加熱和空氣吹脫動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 空氣流量對(duì)氨氮脫除率的影響(圖1)

圖1 空氣流量對(duì)氨氮脫除率的影響

由圖1可知，氨氮脫除率隨空氣流量的增大而升高。空氣流量小于0.5 m3·h-1時(shí)，脫除率上升較快；空氣流量大于0.5 m3·h-1時(shí)，脫除率升幅趨緩，此時(shí)空氣流量對(duì)氨氮脫除率影響較小。這是因?yàn)?，氣液傳質(zhì)的速度取決于氣液兩相的濃度差，當(dāng)空氣流量增大時(shí)，氣體中氨氮的濃度降低，氨氮在氣液兩相中的濃度差增大，從而加快了氣液的傳質(zhì)速度、強(qiáng)化了溶液中氣液兩相的傳質(zhì)。因此，選擇0.4 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.6 m3·h-1作為空氣流量因素的3個(gè)水平來(lái)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 剩余氨水流量對(duì)氨氮脫除率的影響(圖2)

圖2 剩余氨水流量對(duì)氨氮脫除率的影響

由圖2可知，隨剩余氨水流量的增大，氨氮脫除率逐漸降低。當(dāng)剩余氨水流量從4 mL·min-1增大到8 mL·min-1時(shí)，氨氮脫除率約降低10%。這是因?yàn)?，剩余氨水流量增大，同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)入反應(yīng)釜的氨氮量就增加，液相中氨氮濃度增加，氣液傳質(zhì)的速度加快，空氣帶走的氨氮量也會(huì)增加，但是同一時(shí)間內(nèi)因氣液傳質(zhì)加快帶走的氨氮量小于進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)的氨氮量，因此反應(yīng)釜內(nèi)殘留氨氮的濃度也就高，導(dǎo)致氨氮脫除率降低。因此，選擇4 mL·min-1、6 mL·min-1、8 mL·min-1作為剩余氨水流量因素的3個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 加堿量與剩余氨水體積比對(duì)氨氮脫除率的影響(圖3)

圖3 加堿量與剩余氨水體積比對(duì)氨氮脫除率的影響

由圖3可知，氨氮脫除率隨加堿量與剩余氨水體積比的增大而升高， 當(dāng)加堿量與剩余氨水體積比增加到0.15∶1時(shí)，氨氮脫除率升幅趨緩；當(dāng)加堿量與剩余氨水體積比為0.18∶1時(shí)，堿已經(jīng)過(guò)量，溶液中游離氨的濃度趨于穩(wěn)定，氨氮脫除率也趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)椋訅A量越大，氫氧根離子濃度越大，反應(yīng)朝右進(jìn)行，剩余氨水中游離氨濃度越多，液相中氨的濃度越大，氣液兩相界面上氨的濃度差越大，氨的擴(kuò)散速度越快，越利于氨的脫除。因此，選擇0.12∶1、0.15∶1、0.18∶1作為加堿量與剩余氨水體積比因素的3個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.2.4 微波功率對(duì)氨氮脫除率的影響(圖4)

圖4 微波功率對(duì)氨氮脫除率的影響

由圖4可知，氨氮脫除率隨微波功率的增大而升高。當(dāng)微波功率小于450 W時(shí)， 氨氮脫除率升幅較大；當(dāng)微波功率大于450 W時(shí)，氨氮脫除率升幅趨緩。這是因?yàn)?，微波功率增大，剩余氨水中產(chǎn)生的熱量增加，溶液溫度快速升高，氨氮脫除率增加較快；而微波功率大于450 W時(shí)，剩余氨水短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量很大，有一部分熱量被水汽帶走，溶液溫度升高不顯著，導(dǎo)致氨氮脫除率增加較小。因此，選擇270 W、450 W、720 W作為微波功率因素的3個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.2.5 正交實(shí)驗(yàn)(表4)

由表4可以看出，各因素對(duì)氨氮脫除率的影響大小依次為：剩余氨水流量>微波功率>加堿量與剩余氨水的體積比>空氣流量。由表4還可看出，實(shí)驗(yàn)9處理效果較好，且與單因素實(shí)驗(yàn)得到的最佳實(shí)驗(yàn)條件相符；實(shí)驗(yàn)5中加堿量較大，導(dǎo)致處理后的剩余氨水的pH值較大，影響剩余氨水的下一級(jí)生化處理，因此，確定最佳工藝條件為：剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3·h-1、加堿量與剩余氨水的體積比0.15∶1，此條件下氨氮脫除率達(dá)到94.58%，吹脫后剩余氨水中氨氮含量降到了287 mg·L-1。

3 結(jié)論

(1)微波加熱靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，在微波功率為900 W時(shí)加熱5 min就能使氨氮脫除率達(dá)到98.72%，說(shuō)明靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中采用微波加熱法能在短時(shí)間內(nèi)脫除剩余氨水中大量的氨氮。

(2)微波加熱和空氣吹脫動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，各因素對(duì)氨氮脫除率的影響大小依次為：剩余氨水流量>微波功率>加堿量與剩余氨水體積比>空氣流量。

(3)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的最佳工藝條件為：剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3·h-1、加堿量與剩余氨水體積比0.15∶1，在此條件下，氨氮脫除率達(dá)到94.58%，吹脫平衡后氨氮含量為287 mg·L-1。

表4 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

參考文獻(xiàn)：

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