阵列式直通道填料塔用于氨氮废水吹脱的性能研究

代明星，全学军，徐 飞，罗 丹，吴 俊，李瑞恒，谢清伟

(重庆理工大学 化学化工学院，重庆 400054)

阵列式直通道填料塔用于氨氮废水吹脱的性能研究

代明星，全学军，徐 飞，罗 丹，吴 俊，李瑞恒，谢清伟

(重庆理工大学 化学化工学院，重庆 400054)

空气吹脱；脱氨；传质系数；阵列式直通道填料塔

1 实验部分

1.1 阵列式填料塔的设计

本工作提出的新型阵列式直通道填料塔，结构如图1所示。空气进气口位于塔体下端，液体经过塔体中上部的喷淋管，均匀喷射入阵列式方形直通道填料中。主要设备参数如下：塔体总长L为1 950 mm，内径D为100 mm；喷淋管直径d1为25 mm，并于喷淋管下方周向每30°设置1～2 mm的射流喷孔，喷淋管设置高度HL为1 400 mm；喷淋管上方每隔150 mm设置一层筛板，共3层；进气口高度hg为125 mm，直径d2为50 mm；上端排气口直径d为50 mm。填料设计如图2所示，为了便于观察填料中气液两相的流态，填料由2 mm厚的透明有机玻璃板相互垂直镶嵌排列成边长a为8 mm、长度H为1 000 mm的整体式阵列矩形直通道。这样，整个填料就由多个相互独立的边长为8 mm的直通道群组成，可为气液相间传质提供较大的传质面积。在每个直线通道中，快速上升的气流与下降的液膜相互作用，由于液膜表面的不断更新，可实现气液两相间的高效传质。

图1 阵列式直通道填料塔结构

图2 阵列式直通道填料图

1.2 氨氮吹脱实验系统

从水溶液中分离氨氮的实验系统如图3所示。系统主由阵列式直通道填料塔、废水储槽、液体循环泵和供气系统等组成。压缩空气由空压机6产生，并引入塔体之中形成强烈向上的空气流场。将一定浓度的氨氮废水贮存在储液槽7中，并由循环水泵1输入阵列式方形直通道填料塔5上部，由喷淋管4实现循环喷射，氨氮废水沿着多个矩形通道内壁下流铺展成液膜。由塔体中上部废气带出的微小液滴经筛板实现分离并流回储槽中，由塔顶产生的氨通过尾气吸收装置吸收。气、液两相的流量由转子流量计3测定，进入系统的空气和废水的流量由阀门2进行调节。

1.循环水泵； 2.阀门； 3.转子流量计； 4.喷淋管； 5.阵列式方形直通道填料塔； 6.空气压缩机；7.储液槽

图3 实验装置流程示意图

Fig.3 Schematic diagram of experimental setup

1.3 实验方法

参照电镀工业废水中氨氮的浓度，每次实验配制15 L浓度约为12 000 mg/L高浓度氨水溶液，并在溶液中加入250 g Ca(OH)2以确保吹脱实验过程中的pH值始终保持11以上。将配制好的氨水溶液搅拌均匀后倒入液体储槽中，开启循环泵，调节液体流速至预定值，让其稳定循环5 min，然后在取样口采取初始样。取样完毕，打开风机调至预设定的气速后开始计时，进行氨氮废水吹脱实验。每次实验进行90 min，前30 min每隔5 min采样一次，后60 min每隔10 min采样一次。样品经过离心分离后，上清液马上采用纳氏试剂分光光度法在420 nm处对样品进行NH3-N浓度测定。实验考察了氨氮废水循环流速和进口气速对填料塔的吹脱性能影响。在整个实验过程中，通过外加空调系统维持体系的温度，使其保持在25℃左右。相同条件的实验重复一次，所得结果取平均值。

2 实验结果与讨论

本实验重点研究了过程的工艺参数(空气流量QG、废水循环流量QL)对脱氨在吹脱过程动力学和脱氨过程传质系数的影响。为了掌握吹脱过程的工艺参数对过程传质的影响规律，同时便于比较不同吹脱设备的传质性能，有必要从吹脱过程的动力学数据计算出传质系数。传质系数的计算参照文献[19]。

(1)

-lnRf=KLat

(2)

式中，ct(NH3-N)和c0(NH3-N)分别是挥发性组分氨在t时刻和初始时的浓度(mg·L-1)；KLa是吹脱过程的体积传质系数(min-1)；t是吹脱时间(min)。

2.1 废水循环流量对氨氮的吹脱效率和传质性能影响

废水循环流量对吹脱过程中氨氮浓度变化和去除率的影响，结果如图4所示。在初始氨氮浓度一定，温度维持在25℃，空气流速为60 m3/h(泛点值以下)时，随着液体流量的增加，氨氮去除率也随之增加，吹脱时间90 min后氨氮浓度降低至313.2 mg/L，且最大去除率达97.39%。在进口空气流量一定条件下，研究废水循环流量对吹脱过程动力学及体积传质系数的影响，如图5所示。

图4 废水循环流量对氨氮浓度变化和去除率的影响

图5 废水循环流量对吹脱过程动力学及体积传质系数的影响

将这些动力学实验数据采用式(1)进行线性拟合，拟合直线线性度较好，相关系数R2可达0.98以上。由图可知：在一定空气流速(泛点值以下)条件下，随着液体流速的增加，传质系数KLa也随之增大。这与此类新型填料塔的设计结构有关，喷淋管下方周向每30度设置1～2 mm的射流喷孔能在塔顶均匀的分散液体沿填料流下，避免了填料层内液流沿塔壁流下形成壁流[20]。阵列式直通道填料以镶嵌的方式将反应塔体分隔成多个反应室，液体以一定流速自上而下流动时沿反应室壁铺展成较大面积的液膜，以较大空气流速自下而上吹脱时，随液体流速的增大避免了在填料表面流动的液体部分形成沟流，使得填料表面能够充分润湿。此外，随着液体喷淋速度的增加，液体湍动程度增大，液膜与气相之间作用更加强烈，提高了气液传质效率。

2.2 空气流量对氨的吹脱效率和传质性能影响

在初始氨氮浓度一定、温度维持在25℃、液体流量QL为2.5 m3/h时，进口空气流量对吹脱过程中氨氮浓度变化和去除率的影响如图6所示。可以看出：随着空气流量值(泛点值以下)的增加氨氮去除率也随之增加，相同时刻氨氮浓度随着空气流量的增加而降低。在液体流量一定的条件下，研究进口空气流量对吹脱过程动力学及体积传质系数的影响，结果如图7所示。由图可知：在一定液体流速条件下，随着空气循环流量值(泛点值以下)的增加，传质系数KLa也随之明显增加，最高可达到0.041 1 min-1。这是由于气液两相在填料表面进行逆流接触时，阵列式直通道填料提供了更多的气液两相接触的传质面积，新型填料的特殊结构提供了气体流动较大的通道，因而气体在塔体填料间流动一般处于湍流状态，气速的增加使得两相在塔体填料表面作用剧烈翻涌，气液相界面的湍动程度和传质接触面积增大[21-22]。但在一定液体流量下，气体流量过大，液膜所受的阻力亦随之增大，不利于塔体间气液两相的传质。因此，增大气速时必须避免液泛现象，最大气速值保持在泛点以下。

2.3 不同设备传质性能的对比

图6 空气流量对氨氮浓度变化和去除率的影响

图7 空气流量对吹脱过程动力学及体积传质系数的影响

EquipmentStrippingconditionsKLa/min-1Ref.ArraystraightchannelpackedtowerVL=15dm3,QG=60m3·h-1pH=11.0,temperature=25℃,QL=2.5m3/h0.0411ThisworkPackedtowerVL=1m3,QG=1500m3·h-1pH=11.0,temperature=15℃,QL=0.5m3/h0.0070[23]WSAVL=10dm3,QG=7m3·h-1pH=11.0,temperature=25℃,QL=1.2m3/h0.0200[24]TankVL=50cm3,QG=0.27m3·h-1pH=12.0,temperature=20℃0.0080[25]

3 结束语

空气吹脱法广泛用于高浓度氨氮废水的预处理，实现该过程通常选用搅拌槽或填料塔。针对工业化普遍采用填料塔预处理高浓度氨氮废水设备复杂、能耗较大、氨氮去除率较低，课题组提出了新型阵列式方形直通道填料塔。研究表明：此类填料塔比传统气液传质设备有更高的传质性能，当废水温度处于25℃时，随着液体流速、气体流速(泛点值以下)的增加氨氮去除率和传质系数均明显增加。在最佳操作条件下，体积传质系数达0.041 1 min-1，吹脱90 min氨的去除率达97.39%。此外，阵列式直通道填料塔避免了传统方式的填料由于随机堆积、流道曲折等因素，在较长时间的实际运行中易引起结垢堵塞严重的问题，且塔体易清洗、易于实现工业化放大。

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(责任编辑 刘 舸)

Air Stripping of Ammonia Using a Packed Tower with Array Straight Channel Filler

DAI Ming-xing, QUAN Xue-jun, XU Fei, LUO Dan, WU Jun, LI Rui-heng, XIE Qing-wei

(College of Chemistry and Chemical Engineering， Chongqing University of Technology, Chongqing 400054，China)

Air stripping is widely used in the removal of ammonia from wastewate, and the usually used mass transfer equipment is mainly packed tower. In order to improve the efficiency of this process, air stripping of ammonia from water was performed in batch mode in a newly designed packed tower: an array straight channel packed tower. The effect of main process parameters on ammonia removal and mass transfer coefficient was investigated. The new packed tower exhibited excellent mass transfer coefficient compared with traditional stripping tanks and packed towers. Under a certain temperature, liquid flow rate and air flow rate were the main factors affecting the mass transfer coefficient. Volumetric mass transfer coefficients increased with the increasing of air flow rate and liquid circulation flow rate rapidly. Experiments show that when the air flow rateQGwas 60 m3/h and liquid flow rateQLwas 2.5 m3/h, the mass transfer coefficient reached 0.041 1 min-1, ammonia removal rate reached 97.39% after 90 min of operation. The air stripping process could be operated continuously for a longer time because there was no congestion, and there is an important significance for industrial application.

air stripping; ammonia removal; mass transfer coefficient; packed tower

2016-11-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(21176273)；重庆市百名工程技术高端人才培养计划项目(渝科委发[2014]5号)

代明星(1987—)，男，硕士研究生，主要从事环境化工方向的研究；通讯作者 全学军，博士，教授，主要从事环境化工和分离工程领域的研究，E-mail：hengjunq@cqut.edu.cn。

代明星，全学军，徐飞，等.阵列式直通道填料塔用于氨氮废水吹脱的性能研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(3):90-96.

format：DAI Ming-xing, QUAN Xue-jun, XU Fei, et al.Air Stripping of Ammonia Using a Packed Tower with Array Straight Channel Filler[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):90-96.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.013

TQ028; X505

A

1674-8425(2017)03-0090-07