煤氣化工藝中高氨氮廢水的處理方案

袁冰(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

在現(xiàn)代化社會(huì)的不斷發(fā)展下，高氨氮廢水的處理問題受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，高氨氮廢水處理的優(yōu)良性將會(huì)直接影響煤氣化工藝的發(fā)展。與此同時(shí)，煤氣化工藝正面臨著嚴(yán)峻的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，對該領(lǐng)域提出了更高層次的要求和標(biāo)準(zhǔn)。在煤氣化生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，例如高氨氮廢水的成分相對復(fù)雜，廢水濃度較高，傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)很難將其完全的降解和生化?；诖?，需要進(jìn)一步對高氨氮廢水處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改善，從高氨氮元素的本質(zhì)和特性出發(fā)，對具體情況展開更深層次的研究，科學(xué)選擇合理的脫氮技術(shù)，優(yōu)化高氨氮廢水處理的方案，最大程度地保障處理效果。

1 煤氣化綜合廢水來源

煤氣化綜合廢水的成分具有一定的復(fù)雜性，主要包括生產(chǎn)廢水、生活廢水、清凈下水和雨水四大類。其中，生產(chǎn)廢水占據(jù)主導(dǎo)地位。從污染物性質(zhì)來分析，可以分為有機(jī)廢水和含鹽廢水兩部分。

煤氣化領(lǐng)域是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，其能源消耗量大，涉及領(lǐng)域十分的廣泛。煤氣化廢水水量大，水質(zhì)相對復(fù)雜，一方面表現(xiàn)在雜質(zhì)種類多，另一方面表現(xiàn)在雜質(zhì)與雜質(zhì)之間存在很大的差異性，其中主要分為酚和氨兩種，占據(jù)主導(dǎo)地位。并且，其含有大量的有毒污染物，毒性大，產(chǎn)生的廢水具有強(qiáng)烈的致癌性。且從成分上來看也十分復(fù)雜，危害性大。若不予以充分重視，將其科學(xué)有效的凈化和分解，一旦處理不當(dāng)，便會(huì)對環(huán)境、人類造成極大的威脅[1]。

2 常見的高氨氮廢水處理工藝的弱點(diǎn)

高氨氮廢水的形成主要是由于氨水和無機(jī)氨共同存在下所引發(fā)的，如果pH檢測為酸性，廢水中的氨氮主要由于無機(jī)氨所導(dǎo)致。廢水中氨氮的構(gòu)成主要有兩種：一種是氨水形成的氨氮；一種是無機(jī)氨形成的氨氮，主要是硫酸銨、氯化銨等。

首先，在面臨高氨氮廢水處理過程中，其受經(jīng)濟(jì)條件的局限性較大，無論是高氨氮廢水處理技術(shù)還是設(shè)備，亦或是后期的技術(shù)研發(fā)和改進(jìn)等方面的所需資金上，都需要不斷更新和完善。與此同時(shí)，無論是蒸氨(汽提)或吹脫A/O或吹脫化學(xué)沉淀，都需要經(jīng)濟(jì)作為支撐，存在成本投入高、運(yùn)行成本高、后期維護(hù)成本高的問題?？偠灾褪恰罢舭薄币淮涡酝顿Y太大，“吹脫”動(dòng)力消耗太大。

其次，在應(yīng)用續(xù)接A/O法進(jìn)行高氨氮廢水處理的過程中，一方面受到經(jīng)濟(jì)條件的影響，另一方面表現(xiàn)在該方法所用的占地面積相對較大，在空間和場地上具有很大的束縛，對預(yù)處理出水的要求苛刻(如NH3-N必須小于300 mg/L，汽提或吹脫法對超過5 000 mg/L以上的高濃度氨氮廢水根本達(dá)不到這個(gè)要求，于是只能用成倍的清水稀釋)。

煤氣化工藝的高氨氮廢水處理技術(shù)工藝存在諸多問題，由于煤氣化工藝具有一定的復(fù)雜性的難度性，在面臨廢水處理問題的過程中也缺乏合理的分析和精準(zhǔn)的把握。與此同時(shí)，在應(yīng)用廢水處理技術(shù)工藝的過程中存在一定的盲目性，沒有根據(jù)具體情況展開具體的分析和討論。在面對不同程度的廢水處理問題上，對工作方法的科學(xué)性和高效性沒有予以充分重視，例如缺乏與水質(zhì)特點(diǎn)的有機(jī)結(jié)合和缺乏廢水處理技術(shù)流程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)等。比如續(xù)接化學(xué)沉淀法，雖然投資和占地面積都比A/O法小(A/O裝置進(jìn)出水主要裝置進(jìn)出水主要污染物指標(biāo)，如表1所示)，藥劑的消耗量太大，N、P和Mg之比都在1.0∶1.1～1.2，處理藥劑成本太高，而且出水也不可能達(dá)到國家一級或二級排放標(biāo)準(zhǔn)[2]。

表1 裝置進(jìn)出水主要裝置進(jìn)出水主要污染物指標(biāo)

在現(xiàn)代化發(fā)展的社會(huì)背景下，傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備很難切實(shí)地滿足社會(huì)發(fā)展的需要，無論是在大規(guī)模生產(chǎn)還是長時(shí)間作業(yè)上，都存在一定的弊端。隨著我國社會(huì)需求的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)規(guī)模、方式、理念、技術(shù)、設(shè)備的優(yōu)良性顯得越來越重要。但是，就目前的情況而言，部分企業(yè)都難以完成上述五個(gè)方面的要求，機(jī)械設(shè)備較為老舊、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量低下。在此基礎(chǔ)上，一些企業(yè)由于自身資金緊張，對新設(shè)備的引進(jìn)、新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用得不到實(shí)質(zhì)性的保障，且設(shè)備管理及后期維修等問題也會(huì)加劇成本問題，導(dǎo)致企業(yè)自身難以承擔(dān)。

3 煤氣化工藝中高氨氮廢水的處理方案

3.1 物化法

3.1.1 吹脫法

常用的吹脫法主要分為空氣和蒸汽兩種方式。吹脫法的應(yīng)用主要是通過氨氮的濃度來達(dá)到廢水的有效處理，在堿性環(huán)境下，氣相濃度和液相濃度之間的氣液屬于平衡關(guān)系，進(jìn)而可以利用二者之間的這種平衡關(guān)系進(jìn)行分離。由于吹脫與濕度、pH、氣液息息相關(guān)，高氨氮廢水在堿性條件下，其基本原理是銨根離子轉(zhuǎn)化為氨分子，在脫氨塔中通入氣體，使其與液體進(jìn)行充分的接觸，廢水中溶解的氣體和揮發(fā)性氨分子穿過汽液界面，轉(zhuǎn)移到氣相，從而達(dá)到去除氨氮的目的。

3.1.2 沸石脫氨法

所謂沸石脫氨閥，其原理主要是利用沸石中的陽離子，使得陽離子與廢水中的NH4+進(jìn)行交換，從而達(dá)到脫氮的目的。但是，在應(yīng)用該方法的過程中，必須根據(jù)具體問題具體分析，綜合分析和考慮實(shí)際問題，特別需要注意的是沸石的再生問題，沸石資源是有限的。除此之外，沸石脫氨法從大體上可以分為再生液法和焚燒法兩大類。其中，在應(yīng)用焚燒法的過程中，必須充分考慮其對環(huán)境造成的影響，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，最大程度地降低或者避免焚燒法的弊端和安全隱患問題，優(yōu)化焚燒流程，提高焚燒的質(zhì)量和效率。

3.1.3 膜分離技術(shù)

在我國科技力量的支持下，我國煤氣化技術(shù)正朝著成熟化、智能化、自動(dòng)化、高效化、安全化的方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果顯著提升，在選擇性上也更加具備多樣性的特點(diǎn)。在此過程中，膜處理技術(shù)也是一種新的導(dǎo)向，適用于廢水雜質(zhì)量不高和蒸發(fā)冷凝水等的脫氨，對進(jìn)一步加強(qiáng)高氨氮廢水處理處理效果有十分重要的意義。較其他技術(shù)相比，該技術(shù)所消耗的能量相對較低，是當(dāng)前煤氣化工藝處理氨氮廢水過程中最常用的一種手段。選擇膜分離技術(shù)，可以充分利用膜的選擇透過性實(shí)現(xiàn)氨氮的去除。該技術(shù)具有操作簡單、方便快捷的優(yōu)勢和特點(diǎn)，且利用該技術(shù)的同時(shí)不會(huì)引發(fā)二次污染問題，取得的實(shí)際效果較為理想，氨氮回收率高。氨氮在水中存在著離解平衡，隨著pH升高，氨在水中NH3形態(tài)比例升高，在一定溫度和壓力下， NH3的氣態(tài)和液態(tài)兩項(xiàng)達(dá)到平衡。通過應(yīng)用該技術(shù)，膜的一側(cè)是廢水，另一側(cè)是堿性溶液，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)pH值，改變氨氣的比重，從而使得氨氣能夠透過膜轉(zhuǎn)移到酸性吸收液的一側(cè)，與酸發(fā)生反應(yīng)生成銨鹽，之后廢水再進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)。除此之外，從膜分離技術(shù)處理氨氮廢水的原理，氨氮的處理過程其中在膜管中，因此進(jìn)一步加強(qiáng)廢水中的懸浮物數(shù)量就顯得極為重要，從而提高處理的質(zhì)量和效率，最大化地減少或者避免堵塞問題[3]。

3.1.4 MAP沉淀法

3.2 粉末活性炭法(PACT工藝)

粉末活性碳法的基本原理是通過向曝氣池中投加粉末活性炭，充分利用和開發(fā)了粉末活性炭的特點(diǎn)，從而使得高氨氮廢水處理問題得到了有效解決。粉末活性炭的優(yōu)勢在于其微孔結(jié)構(gòu)的特殊性，該方法以其超強(qiáng)的吸附力從而能夠更好地達(dá)到高氨氮廢水處理的標(biāo)準(zhǔn)。且在此過程中不會(huì)產(chǎn)生污染問題，大大提高了降解的質(zhì)量和效率。在現(xiàn)階段的社會(huì)發(fā)展驅(qū)使下，我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科技力量的不斷提高，國內(nèi)國外的交流與溝通力度不斷加大，共同研發(fā)了更加高效的煤氣化工藝處理氨氮廢水技術(shù)，全新的脫氮工藝是現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展下的必然趨勢和必然結(jié)果，也是該領(lǐng)域的一種新的發(fā)展方向，有效解決了高濃度氨氮廢水的脫氮處理問題的途徑。

3.3 短程硝化反硝化

生物硝化反硝化也是煤氣化工藝處理氨氮廢水的一個(gè)重要方式，該方式最為顯著的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性，所需消耗的人力、物力、財(cái)力較少，成本較低，因此，適用于一些大規(guī)模的氨氮廢水處理工作。短程硝化反硝化的基本原理是通過進(jìn)一步分析氮?dú)獾南嚓P(guān)特性問題，從而使得氨氮?dú)鈴U水處理和生態(tài)環(huán)境氮?dú)膺M(jìn)行有機(jī)結(jié)合，利用硝化菌和反硝化菌的聯(lián)合作用使得氨氮科學(xué)的轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，以達(dá)到脫氮目的。由于氨氮氧化過程需要大量的氧氣作為支撐，這也是短程硝化反硝化成本的集中提現(xiàn)。但是，后期短程硝化反硝化有效避免了這一問題，降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。這主要是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后進(jìn)行反硝化，省去了傳統(tǒng)生物脫氮中由亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，再還原成亞硝酸鹽兩個(gè)環(huán)節(jié)，一方面有效縮短反應(yīng)時(shí)間，另一方面實(shí)現(xiàn)了環(huán)節(jié)的簡化的同時(shí)，提高了實(shí)際處理的效益[5]。

3.4 超聲吹脫處理氨氮

從超聲吹脫法較傳統(tǒng)的吹脫法來看(表2)，是一種突破與創(chuàng)新，是現(xiàn)代化科技力量推動(dòng)下的一種新型的處理氨氮廢水技術(shù)。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)的氨氮廢水處理模式，同時(shí)也避免了傳統(tǒng)模式下處理的不足和問題，通常適用于一些高濃度的氨氮廢水處理。該方式具有高效性、安全性、智能型，通過有效地應(yīng)用超聲波輻射廢水處理技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)對超聲波輻射技術(shù)與吹拖處理技術(shù)的研究，提高了二者之間的兼容性和協(xié)同性，從而使得二者能夠進(jìn)行深度結(jié)合，發(fā)揮出最大的性能和價(jià)值。這種方式可以說是超聲波輻射技術(shù)與吹拖處理技術(shù)的升級與結(jié)合，大大降低了單一處理氨氮廢水的局限性，在成本上也占據(jù)一定的優(yōu)勢，從而能夠更好地對廢水中的雜質(zhì)和有機(jī)物進(jìn)行降解，提高了處理氨氮廢水的質(zhì)量和效率。

表2 吹脫處理結(jié)果分析

3.5 化學(xué)法

所謂化學(xué)式，顧名思義就是通過全過程的使用化學(xué)方式，綜合化學(xué)氨氮去除的相關(guān)化學(xué)試劑，從而科學(xué)有效的將氨氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)?。與此同時(shí)，該過程具有直接性，一方面對設(shè)備和技術(shù)的要求和標(biāo)準(zhǔn)不高，降低了人力、物力、財(cái)力的支出，且具備較高的靈活性；另一方面，化學(xué)法的環(huán)保性能高，反應(yīng)速度快，消耗時(shí)間一般控制在5～6 min左右。其中，希潔氨氮去除劑是最常用的一種氨氮化學(xué)試劑，在應(yīng)用的過程中必須根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)際需求對投加量進(jìn)行科學(xué)、合理的把控，避免投入過多的浪費(fèi)問題，以及投入過少的反應(yīng)不充分、去除不徹底問題。據(jù)可靠資料表示，該方式的反應(yīng)速率高達(dá)96%[6]。

3.5.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是通過在氨氮廢水中投加鎂化合物或磷酸氫鹽，生成磷酸銨鎂沉淀，從而去除水中的氨氮。其主要是利用以下化學(xué)反應(yīng)：Mg2++2NH3·H2O=Mg(OH)2↓+2NH4+，此法工藝操作相對簡單，反應(yīng)穩(wěn)定，適用于高濃度氨氮廢水的前處理。

3.5.2 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是通過強(qiáng)氧化劑將氨氮直接氧化成氮?dú)獾囊环N方式，是進(jìn)行脫除的一種方法，可以達(dá)到有效去除雜質(zhì)的效果。其中，折點(diǎn)加氯最為實(shí)用，受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。折點(diǎn)加氯的基本原理是將其通入廢水中，使得氨氣和氯氣進(jìn)行充分反應(yīng)，從而達(dá)到某一個(gè)極限點(diǎn)變?yōu)榘睔饷摪保瑢?shí)現(xiàn)氮?dú)獾霓D(zhuǎn)換，起到良好的殺菌作用。企業(yè)應(yīng)將自身的發(fā)展與實(shí)際情況結(jié)合，不能一味地追求經(jīng)濟(jì)效益而忽視了社會(huì)效益以及對環(huán)境造成的不利影響。

3.6 高級氧化法

高級氧化法是煤氣化工藝高氨氮廢水處理過程中的一項(xiàng)重要方案，也是最為常見的一項(xiàng)技術(shù)，效果十分顯著，但是，其在煤氣化工藝流程的應(yīng)用中并不常見。高級氧化法具有耗時(shí)短、效果好、應(yīng)用范圍廣、便于操控，方便快捷的優(yōu)勢和特點(diǎn)，其受到客觀因素的局限性也較少，對時(shí)間和地點(diǎn)沒有過多的要求，在有效去除雜質(zhì)的過程中也不會(huì)造成新雜質(zhì)的產(chǎn)生。但是，也正是由于該方式的優(yōu)勢，在一定程度上存在一定的經(jīng)濟(jì)問題，其成本支出相對較高，故而適合一些嚴(yán)重的高氨氮廢水處理項(xiàng)目。該技術(shù)目前的問題就在于成本控制上，具有廣闊的市場空間和提升空間。國家及相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)加大研發(fā)力度，降低成本，不斷升級和改進(jìn)，從而使得高級氧化法的應(yīng)用得到有效開發(fā)，確切地落實(shí)到煤氣化工藝高氨氮廢水處理過程中，發(fā)揮最大的價(jià)值。

3.7 吸附法

吸附法具有良好的吸附性能，且其化學(xué)性質(zhì)具有穩(wěn)定性，是利用吸附劑使一種物質(zhì)從液相或氣相轉(zhuǎn)移到固體表面的一種傳質(zhì)現(xiàn)象。其基本原理是通過具有孔徑小、空隙多、比表面大等特點(diǎn)的吸附材料，從而實(shí)現(xiàn)煤氣化工藝處理氨氮廢水的目的。在煤氣化工藝處理氨氮廢水的過程中，常用吸附劑有活性炭、粉煤灰、膨潤土等。其中，活性炭最為常用，取得的效果也最為理想；而粉煤最不常用，雖然成本低，但是在應(yīng)用的過程中機(jī)器容易造成二次污染問題，具有較大的局限性。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段我國在煤氣化工藝中氨氮廢水處理問題上面臨一些局限性，導(dǎo)致氨氮廢水處理效果不夠理想，不能切實(shí)滿足社會(huì)發(fā)展的需要?；诖耍疚膹拿簹饣C合廢水來源的角度作為出發(fā)點(diǎn)，簡要分析和闡述了常見的高氨氮廢水處理工藝的弱點(diǎn)，重點(diǎn)對煤氣化工藝中高氨氮廢水的處理方案進(jìn)行了重點(diǎn)探究，旨在進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，促進(jìn)煤氣化工藝更加長遠(yuǎn)、持久、高效的發(fā)展。