汽提法处理稀土行业高浓度氨氮废水模拟计算

李武东 朱志亮

（上海化工研究院国家高效分离塔填料及装置技术研究推广中心)

汽提法处理稀土行业高浓度氨氮废水模拟计算

李武东*朱志亮

（上海化工研究院国家高效分离塔填料及装置技术研究推广中心)

针对汽提法处理稀土行业高浓度氨氮废水，选用电解质NRTL热力学方法进行模拟计算，分析并讨论了pH值对氨氮去除率的影响，以及进料温度和理论板数对汽提能耗和氨水产品浓度的影响。确定了较好的模拟计算条件：原水预热温度为70℃，理论板数为8块。模拟计算结果与开车数据吻合良好。

汽提 氨氮废水 模拟计算 分离

0 前言

2011年3月1日，环保部发布针对稀土工业的环保标准——《稀土工业污染物排放标准》 （GB 26451—2011），将于2011年10月1日起实施，其中规定现有企业氨氮排放限值25 mg/L，新建企业氨氮排放限值15 mg/L。

稀土冶炼分离过程中投入大量氨水进行皂化，排放不同浓度的氨氮废水[1]。目前除少量质量浓度大于10%的氨氮废水通过直接蒸发结晶回收铵盐外，其它都直接排放进入水体，造成水体严重的富营养化。因此，进行稀土氨氮废水的研究及治理已成当务之急。

氨水汽提、吹脱在国内外已广泛应用于中高浓度氨氮废水预处理[2-4]，去除效果较好，处理费用相对较低，相对于其它处理方法更经济可行。但是一般情况下，通过一级吹脱后，出水中氨氮浓度降为100～336 mg/L[5-7]，仍不能达标排放。当然，可以采用二级吹脱加反渗透工艺进一步降低废水中氨氮、COD、Cl-浓度,使废水达标排放，但是这就明显增加了处理成本，并且塔顶仍然会带来二次污染。本文中应用的汽提工艺，一次排放废水氨氮含量可降至10 mg/L以下，节能降耗效果显著，且没有二次污染，实现无嗅排放。

本文将对汽提工艺处理稀土行业高浓度氨氮废水进行模拟计算与优化。

1 汽提原理

1.1 原水前处理

稀土废水氨氮浓度高是由于含氮可生化有机组分的厌氧水解和发酵所致，并以而不是以游离氨的形式存在于废水中。用汽提法去除4，需首先调节废水的pH值，破坏其在废水中的化合或络合状态，使之转化为游离氨，即

1.2 汽提原理

氨汽提主要基于气液相平衡原理。氨-水体系气液相平衡组成[8]如表1所示。

表1 氨-水体系气液相平衡组成质量百分数 （%）

由表1可以看出，随着压力的降低，平衡体系液相中氨的浓度逐渐降低，说明与之平衡的气相中氨的分压也随之减小。氨汽提本质就是利用蒸汽汽提的物理作用，即在高pH值时，使废水与蒸汽密切接触从而降低废水中氨的浓度，过程的推动力是蒸汽中氨的分压、与废水中氨浓度相当的平衡分压两者的压差。蒸汽与废水充分接触，两分压之差使废水中溶解气体NH3穿过气液界面，向气相扩散，从而达到降低废水中氨氮浓度的目的。

2 模拟计算

选取合适的模型和热力学方法，模拟计算某稀土公司含氨氮废水汽提工艺过程。

2.1 气液相平衡计算

1968年Renon和Prausnitz[9]提出NRTL(Non-Random-Two-Liquid)有序双液方程，该方程从局部浓度概念出发获得一个半经验方程。它的优点是不但在关联强极性物系时效果较好，更主要的是可以从二元体系的关联参数直接计算多元体系，而不必引入多元体系特有的参数。NRTL方程不仅适用于气液相平衡的计算，而且也可用于液液平衡二组分活度系数的计算，所以它适用于部分互溶体系。

NRTL方程对酮、醇、醚体系均有较高的预测精度。对于含水系统，NRTL方程通常比其他方程拟合得更好[10]。

由于氨氮废水中常含有一定的盐类，因此本文选用电解质NRTL活度系数模型计算氨水汽提过程中的气液相平衡，其中液相活度系数采用电解质NRTL模型，气相则采用RK状态方程描述逸度系数。

我们采用RK状态方程来计算气相的相关热力学特性参数，它一般应用于低压至中等压力 （最大压力为1 013.25 kPa）的场合。

RK模型的方程形式为：

式中R——摩尔气体常数，其值为8.314 4 J/(mol·K)；

p、T、Vm——分别为压力、绝对温度、摩尔体积；

a、b——均为物质的特征参数，a是分子间的引力对p的校正项，b则是考虑分子本身体积的校正项；xi——组分的摩尔分率，下标i表示组分；

Tci、pci—— 分别为组分i的临界温度、临界压力。

2.2 工艺流程

模拟计算的工艺流程简图如图1所示。

图1 氨氮废水汽提工艺流程

流程说明：进料原水先与塔底排放废水换热，并被预热至70℃左右从塔顶部进汽提塔，蒸汽从底部进塔。塔顶气相经多级变温吸收系统，最终吸收浓缩制得10%～18% （质量百分数）以上的氨水，塔底排放合格的废水。

2.3 原水组成

表2所示为某稀土企业的氨氮废水组成，本文以此为进料，进行模拟计算。

表2 某稀土氨氮废水组成

3 优化分析

3.1 进料温度对氨水产品浓度和过程能耗的影响其它条件不变，仅改变原水进塔温度，计算其对蒸汽消耗和氨水浓度的影响，结果如图2所示。由图2可见，原水预热温度越高，蒸汽消耗和氨水产品浓度越小。考虑到塔底排放废水温度约为

105℃，且氨水产品质量浓度不低于15%，因此一般选择原水进料温度在70～80℃左右，此时氨水产品质量浓度一般为15%～16%。

3.2 理论板数对氨水产品浓度和过程能耗的影响在工艺要求不变，即塔底排放废水达标 （氨氮含量为10 mg/L）的情况下，改变模拟计算中理论板数，考察理论板数的变化对蒸汽消耗和氨水产品浓度的影响。结果如图3所示。

由图3可看出：随着理论板数从2块增加到10块，蒸汽消耗不断减小；当理论板数从10块增加到20块时，蒸汽消耗仅下降了42.5 kg/h，说明再增加理论板数的节能效果已不明显；此时氨水产品质量浓度仅仅由15.64%增加到16.36%。因此，一般考虑选择8块理论板进行模拟计算。

3.3 模拟计算结果

前述模拟优化分析确定的条件是原水预热温度70℃、理论板数8块，以此条件进行模拟计算的结果如表3所示。

3.4 模拟计算结果与开车结果对照

模拟计算结果与开车结果对照如表4所示。

由表4可看出：模拟计算结果其主要工艺指标如塔顶温度、进料中氨含量和排放水中氨氮含量等都与开车数据比较接近，并且开车过程蒸汽单耗较模拟计算值低。因此总体来说，模拟计算值与开车实际数据吻合良好，可以为工厂实际开车或生产提供技术指导。

表3 模拟计算结果

表4 模拟计算结果与开车结果 [11]对照

4 结论

本文使用Aspen Plus流程模拟软件，选择电解质NRTL热力学方法，对汽提法处理稀土行业高浓度氨氮废水工艺进行了模拟计算，分析并讨论了pH值对氨氮去除率的影响，以及进料原水预热温度和理论板数对汽提蒸汽消耗和氨水产品浓度的影响。确定了合适的模拟计算条件：原水预热温度为70℃，理论板数为8块。模拟计算值与开车实际数据吻合良好。

[1]王金镛,林天奇.从氯化稀土萃取分离废水中回收氯化铵的研究 [J].四川稀土，2002(1)：9-11.

[2]胡继峰,刘怀.含氨废水处理技术及工艺设计方案 [J].水处理技术，2003,29(4)： 244-246.

[3]Lei X， Sugiura N， Feng C,et al.Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification[J].Journal of Hazardous Materials，2007,145(3)：391-397.

[4]Cheung K C,Chu L M,Wong M H.Ammonia stripping as a pretreatment for landfill leachate[J].Water,Air,&Soil Pollution， 1997,94(1)： 209-221.

[5]陈莉荣,戴宝成,武文斐,等.吹脱法处理稀土氯铵废水试验研究 [J].金属矿山，2007(9)： 101-102.

[6]周友新,祁建祥.吹脱法处理稀土冶炼高氨氮废水试验[J].煤炭技术，2010,29(12)： 207-209.

[7]黄海明,肖贤明,晏波.氨吹脱处理稀土分离厂中氨氮废水试验研究[J].环境工程学报，2008,2(8)：1 062-1 065.

[8]石油化学工业部化工设计院.氮肥工艺设计手册：理化数据分册 [M].北京： 石油化学工业出版社，1977.

[9]Renon H,Prausnitz J M.Estimation of parameters for the NRTL equation for excess Gibbs energies of strongly nonideal liquid mixtures[J].Industrial&Engineering Chemistry Process Design and Development， 1969,8(3)： 413-419.

[10]蒋晓伟,汪洋,关春欣.NRTL方程与 SRK方程在非理想体系的气液平衡计算[J].化工设计，2007,17(15)：11-15.[11]朱志亮,周建跃,殷红燕,等.氨-水精馏技术在工业废水脱氨中的应用 [J].现代化工，2008,28(增刊1)：111-115.

Simulation on Treatment of High Concentration Ammonia Nitrogen Wastewater by Stripping in Rare Earth Industry

Li Wudong Zhu Zhiliang

In simulation of the stripping treatment of high concentration ammonia nitrogen wastewater in rare earth industry,the electrolyte NRTL thermodynamic methods was chosen,the influence of the change of pH value to the removal rate of ammonia nitrogen,and the influence of the feed temperature and the number of theoretical plates to the gas consumption and the ammonia product concentration were analyzed and discussed.A good simulation condition was determined:water preheating temperature was 70℃,8 theoretical stages.The calculating result showed a good agreement with the operating data.

Stripping;Ammonia nitrogen wastewater;Simulation;Separation

TQ 028?

*李武东，男，1983年生，硕士，助理工程师。上海市，200062。

2011-08-04）