超重力技术及其在氨氮废水处理中的应用

孔望欣，夏美芳，吴媛媛，黄 进，钟 魁

（浙江医药股份有限公司昌海生物分公司，浙江绍兴312000）

环境保护

超重力技术及其在氨氮废水处理中的应用

孔望欣，夏美芳，吴媛媛，黄 进，钟 魁

（浙江医药股份有限公司昌海生物分公司，浙江绍兴312000）

超重力技术是强化“三传一反”化工过程的新技术，将其应用在氨氮废水处理过程，具有很大的应用前景。着重对超重力技术吹脱氨氮废水的研究进展、工作原理、工艺流程及技术优势进行了介绍。

超重力技术；吹脱；氨氮废水

自1983年英国ICI公司成功研制出高强度气液传质设备超重力机以来，人们对超重力技术进行了密切关注和深入的理论研究，并将其应用到了化工、材料制备、环境保护等领域中，取得了显著的应用成果[1-6]。利用超重力的科学原理的应用技术称为超重力技术[7-10]。它通过超重力机高速旋转产生的强大离心力场代替重力场，达到了“三传一反”化工过程的强化。

随着工业发展，每年都有大量氨氮工业废水产生。国家对含氨氮废水的排放要求非常严格，含氨氮废水难以处理，这对水资源和生态环境造成了极大危害[11-12]。利用超重力技术吹脱氨氮废水是一项新型的去除氨氮的方法，与传统处理方法如蒸汽吹脱法、空气吹脱法、化学法等相比，该法具有传质效率高、设备体积小、能耗量低等优势，目前已在山东加华公司、山东淄博稀土高科等多公司进行了工程化应用研究，虽然技术不成熟，但具有很大的应用前景。

1 工作原理

物体受到的比地球重力加速度g（≈9.8 m/s2）更大的力称为超重力。当g接近0（失重）时，气液、液液、液固相接触时的动力因素Δρg（浮力因子）将趋于0，此时不再受密度差影响，分子间作用力（如表面张力）起主导作用，液相物质发生近球形团聚，相间接触不再充分，相间传递作用逐渐变弱，分离无法进行。而随着g增大（超重）时，Δρg变大，流体的相对速度增大，相间产生了巨大的切应力，将液相物质拉伸成微米、纳米级别的液滴、液丝或液膜，大大增加了相间接触面积，从而强化传递，通常相间传质速率比传统的塔设备高1~3个数量级[13]。设计和使用可高速旋转的设备是最简单的模拟超重力的方法。通常利用离心力进行复相分离、密度差分离，而超重力技术有所不同，核心在于对相间传递过程和微观混合、反应过程的极大强化。

在氨氮废水中存在以下平衡：

NH3与NH4+之间的转换受到pH值、温度、压力等的影响。pH值为强碱性时，大量的OH-氛围使得平衡向逆反性进行，体系中基本都为溶解性液态NH3；而温度升高和压力降低有利于废水中NH3的逸出。

超重力技术应用到氨氮废水吹脱过程，也就是指使用超重力设备取代传统的填料塔作为吹脱设备，以空气为气提剂，通过大量空气与碱性的氨氮废水接触，将水中的游离氨分子解吸到气相的过程。

2 超重力设备

超重力设备也称超重力机(High Gravity Rotary Device，Higee)或旋转填料床(Rotating Packed Bed，RPB)。超重力设备按结构不同可分为立式、卧式；按转子结构的不同可分为体旋转式、双动盘式、动静结合式等[14]；按分离物系的要求和旋转填料上填料层数不同，可分为单层填料和多层填料；按气液接触方式或操作方式不同可分为逆流、并流和错流旋转填料床[15~18]。

在吹脱氨氮废水处理中，使用超重力设备代替传统的塔设备，发生了两大变化：①液相流动由重力环境变成了超重力环境；②设备由传统的静止状态变为了旋转运动状态。超重力设备由固定的圆柱形壳体、转子、填料和液体分布器等组成，其基本结构见图1。

图1 超重力设备结构示意图Tab.1 Instruction chart of high gravity equipment structure

机器开动时，气体在压力梯度的影响下进入超重设备转轴外腔，穿过填料。同时液体在泵的带动下也流向转轴，并通过喷头均匀淋洒于转轴内侧。随着转子高速旋转液体向外甩出，在巨大剪切力和与填料碰撞作用下，逐渐变小形成极大的不断更新的表面积，大大增加两相之间的相界面积增大，伴随着剧烈搅动速度、浓度、温度边界层等影响，达到了传质与反应过程的强化。之后液体被转子甩入外壳经汇集从底部的液体出口流出，而气体则经过转轴中心离开转轴向上冲气体出口排出。

3 超重力技术吹脱氨氮废水的研究进展

国外对超重力技术研究最早，主要集中在ICI、DOW、DuPont、Norton等公司和Newcatstle、Washington等大学，目前专门对超重力技术吹脱氨氮废水的研究报道较少。

国内柳来栓等[19]用超重力法吹脱某铜洗车间的含氨量为1500~2000 mg/L的混合废水，在温度40℃，pH值为11.0，气液体积流量比1200，转速1200 r/min的条件下，得到了单程吹脱率高于85%的吹脱效果。焦纬洲等[20]对超重力技术处理某焦化厂氨氮废水进行了中试研究，重点考察了气液比转速温度值等对氨氮脱除率和气相压降的影响，试验发现：在适宜的操作条件下单级氨氮脱除率可达75%，可满足后序处理工艺的要求。王媛媛等[21]使用折流式旋转填料床处理了含氨量为10366 mg/L的废水，实验发现：温度为20℃，pH为10左右，气体流量160 m3/h，液体流量60 L/h，转速800 r/min时，吹脱率可达92%。

山西省超重力化工工程技术研究中心和北京化工大学教育部超重力工程研究中心在超重力技术的基础和应用研究上处于国内领先水平。前者分别在山西焦化集团有限公司、山东淄博稀土高科、山东加华公司等企业进行了高浓度氨氮废水的吹脱中试试验，得出将超重力技术用于氨氮废水吹脱中，当温度35℃~40℃，pH值10.5~ 11.0，气液比为1200，超重力因子100时，可以获得85%以上的单级吹脱率，效果显著。后者对某合成氨厂的含氨（20000～30000 mg/L）废水进行了超重力气提中试试验，成功将氨氮量降至可直接排放标准，并得到可利用的5%～20%的浓氨水。还与原中国天然气总公司下属大型合成氨企业联合开发建立了一套超重力尿素水解工业侧线，处理水量达到5 t/h，在温度220℃～230℃，压力2.4～2.6 MPa条件下，可将废水中100 mg/L左右的尿素含量处理至5 mg/L以下，达到中压锅炉的用水要求。

目前超重力法吹脱氨氮技术的大规模工业应用较少，主要是因为该技术不够成熟，特别是大型的结构，仍需要根据具体的物系进行合理设计和试验。

4 超重力技术吹脱氨氮废水的工艺流程

图2列出了采用超重力技术吹脱氨氮废水的工艺流程。氨氮废水在调节池中通过加入碱和解氨剂，通过pH控制仪调节pH值至10.5～11.5，之后经废水泵注入到超重力机中，在高湍动、大的气液接触面积的情况下，与风机带动进超重机的空气进行充分接触并产生雾化，将废水中的游离氨吹脱出来。之后排出的废水氨氮含量达标则直接排放，不达标则重新打入超重机中再次进行脱氨处理。通常经此处理出来的氨氮废水达到国家一级排放标准。而从超重机中排出的气体通过超级氨回收器，可得到一定浓度的氨水，其余气体通过除雾器，经过除雾后直接排放。

图2 超重力技术吹脱氨氮废水工艺流程图Tab.2 Process flow of using high gravity technology to blow off ammonia nitrogen wastewater

5 超重力技术吹脱氨氮废水的技术优势

与工业上传统仅使用塔设备的吹脱法相比，超重力法吹脱氨氮废水具有以下几点优势：①设备体积质量小、设备及基建费用少，过程放大容易，启动、停车迅速，运行更稳定；②摆脱了重力场的影响，对气液变化不敏感，对物料粘度适应性广，操作弹性大；③气相动力消耗小、物料停留时间短、传质系数大；④去除氨氮效率高，有利于气相中氨的回收利用；⑤能够增加水中的溶解氧，为可能的后续生化处理提供充足氧源。

6 结语

随着人们环保意识的不断提高，工业生产中向河流湖泊中排放的有害氨氮废水必须得到解决。超重力技术由于其传质效率高、能耗低等优点，在除氨氮废水的应用中效果显著，受到越来越多人的关注，目前在我公司也开始进行了中试试验。虽然超重力除氨氮技术在基础理论和应用方面取得了较大进展，但大规模工业化应用较少，随着该项技术的不断完善，预期其在不久的将来会被广泛应用于氨氮废水的回收及综合利用，造福人类。

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Super Gravity Technology and Its Application in the Treatment of Ammonia Nitrogen Wastewater

KONG Wang-xin，XIA Mei-fang，WU Yuan-yuan，HUANG Jin，ZHONG Kui
(Changhai Biological Company,Zhejiang Medicine Co.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang 312000,China)

High gravity technology is a new technology can strengthen chemical process of"three transmits and one reaction”,and it is of great application prospect in the treatment process of ammonia nitrogen wastewater.This paper focuses on introducing research progress,working principle,process flow and technological advantage of high gravity technology blowing off ammonia nitrogen wastewater.

super gravity technology;blow off;ammonia nitrogen wastewater

1006-4184（2015）8-0040-04

2015-06-25

孔望欣（1974-），男，本科，助理工程师，主要从事VE产品生产及后续三废问题处理的研究。E-mail：761672925@qq.com。