脱硝催化剂生产废水治理工艺设计升级

2020-10-10王建国秦一鸣高春昱孟凡强王正上王松陈华

综合智慧能源 2020年9期

关键词：生产废水去离子水废水处理

王建国，秦一鸣，高春昱，孟凡强，王正上，王松，陈华

WANG Jianguo，QIN Yiming，GAO Chunyu，MENG Fanqiang，WANG Zhengshang，WANG Song，CHEN Hua*

（华电青岛环保技术有限公司，山东青岛266000）

（Qingdao Huadian Environmental Technology Company Limited，Qingdao 266000，China）

0 引言

大气中的NOx是导致酸雨、雾霾、光化学烟雾等严重环境问题的主要原因之一［1］。人为排放的NOx主要来自于固定污染源（发电厂、化工厂等）和移动污染源（各种带燃油发动机的交通工具）。2015 年，我国燃煤电厂NOx排放量已达到1.31×107t，因此，对燃煤电厂烟气进行脱硝刻不容缓［2］。

选择性催化还原技术因具有占地面积小、脱硝效率高、技术成熟等优点，是目前应用最广、最为有效的烟气脱硝技术之一。催化剂作为选择性催化还原脱硝工程的核心［3-5］，其质量和性能直接关系到脱硝效率的高低。而选择性催化还原催化剂在生产过程中会产生大量的高氨氮废水和设备清洗废水：氨氮废水包含氨水、少量钛白粉、玻璃纤维、低分子有机物等杂质；设备清洗废水中的杂质主要为钛白粉泥料。此2 种废水处理起来较为复杂，现有工艺不但处理效果差且成本高，脱硝催化剂生产行业急需一种高效、绿色、低成本的废水处理新工艺。

1 脱硝催化剂生产废水处理工艺的现状

脱硝催化剂产品的传统生产工艺已经非常成熟，包括原料贮存、原料配制、混炼、预挤出、挤出成型、一段干燥、二段干燥、冷却、切割、检验和组装等［6］。在混炼工序，会产生含氨、粉尘污染物的废气，此废气经洗涤塔洗涤后会将污染物转移至洗涤塔的废水中形成高氨氮废水；在挤出成型过程中，需更换、调试挤出模具，清洗换后的模具会产生清洗废水。

现有废水处理工艺主要有蒸氨法、吸附法、折点氯化法、催化湿式氧化法、化学沉降法和生物降解法等［7］。以上几种技术都有各自的优势和不足，在实际处理过程中均会导致运行成本不断增加。不同废水性质上存在差异，目前还没有一种通用的方法可以处理废水中全部的污染物［8-9］。

2 废水治理工艺调研

目前，脱硝催化剂生产行业常规的废水处理工艺为次氯酸钠氧化法联合硫酸中和法（属于折点氯化法）。次氯酸钠与氨氮发生反应生成氮气、氯化钠与水，处理后的废水再使用硫酸调节pH 值至中性。次氯酸钠的投加量是影响本工艺运行成本最主要的因素，如果投加量太高，就可能使企业在经济上难以承受；投加量太低，就会导致废水中的氨氮超标。次氯酸钠氧化氨氮的反应机理的总反应式为［10］

2NH3+3NaClO→N2+3H2O+3NaCl。

研究表明，以分子形式存在的氨（NH3）比铵离子（NH4+）更容易被氯所氧化。而氨在水中存在的形态取决于pH值，因为存在下列化学平衡［11］

NH4+⇌NH3+H+。

综上可见，此工艺流程的缺点在于大量消耗次氯酸钠及硫酸，成本较高；若废水处理得不够彻底，排出水中的氨氮不易控制且会产生副产物氯胺（以游离NH3和铵离子（NH4+）形式存在的氮）和氯代有机物，造成二次污染［12］。

脱硝催化剂的生产过程中需要大量的去离子水，且在生产工艺流程中去离子水同样会混合一定比例的氨氮（如图1 所示）。为了降低废水排放、降低生产成本，新的废水工艺在设计上主要需考虑如何循环使用含有氨氮的废水，即为对氨洗涤塔废水和清洗设备废水进行资源化再利用，以达到节省污水处理成本、减少氨水消耗的目的。

经过实地调研，发现可以在氨洗涤塔原有设备的基础上，将吸收所用的自来水更换成去离子水来吸收生产过程中产生的氨气、钛白粉及玻纤等杂质。废水洗涤塔中的去离子水在吸附饱和后产生的废水经收集连同生产过程中的设备清洗废水（该部分用水同样由自来水更换为去离子水）一起过滤后，作为工艺用水重新回用于工艺过程，用于代替脱硝催化剂生产工艺本身需要大量去离子水，过滤产生的滤渣作为生产的原材料同样可回用于生产过程，以此实现生产过程废水零排放和氨水的循环使用（如图2所示）。

图1 氨的循环途径Fig.1Ammonia circulation pathway

图2 废水治理工艺流程Fig.2 Wastewater treatment process

3 废水治理工艺可行性分析

对某催化剂厂全年的产品生产状况及饱和产能进行了调查分析，该厂在满产状态下，氨洗涤塔废水（浓水）产量约为8.0 t∕d，清洗设备废水产量约为5.5 t∕d，生产过程约需要消耗去离子水16.0 t∕d。正常情况下，生产过程的工艺用水（去离子水）量完全可以吸收掉废水的产出量。

通过调研，该厂催化剂工艺用水主要为原材料溶解用水，包括25 ℃、常温和70 ℃的去离子水。在进行废水工艺设计前，需要验证洗涤塔和设备清洗产生的废水是否适合用作工艺用水，使用生产废水是否会影响产品的质量和生产效率。

（1）实验室小试。通过小试捏合得到水分、塑性值跟正常标准样品比较接近的产品湿坯。通过X射线光谱仪分析发现，使用工艺废水作为工艺用水混制的湿坯物料与使用正常去离子水混制的湿坯物料相比，元素含量无较大差异，碱金属含量也比较接近。结果证明工艺废水回用并未对产品的化学性质产生明显影响。

（2）收集生产废水样品进行生产中试试验。中试过程中生产出的湿坯物料无异常，原材料可以完全溶解，最终工艺出料水分与塑性都在合理范围内。使用废水物料进行挤出成型试验，试验过程控制稳定且成型物料状态较好。挤出成型后的产品经干燥后，单元完整、质量合格。干燥后的产品单元经煅烧窑煅烧后，外观无明显裂纹，均属于合格品。

（3）选取试验产品单元进行理化性能及全元素分析，各项结果结果都在标准范围内（见表1）。

通过试验证明，使用生产废水作为工艺用水生产出的产品可以满足产品的合格率和理化性能要求。因此，升级后的废水治理工艺满足实际使用条件。

表1 催化剂理化性能检测数据Tab.1 Physical and chemical performance test data

4 废水治理工艺实施过程

根据废水治理工艺的调研与可行性分析，对某催化剂厂原废水治理治理工艺进行改造，改造后的工艺流程如图3所示。

4.1 生产管路改造

首先将洗涤塔等补水由自来水更换为去离子水。将原有氨洗涤塔自来水补水管道更换为不锈钢管，并增加1个三通（一路至车间的去离子水管道预留口，一路至原自来水管道并加1 个手动球阀），便于随时切换新旧废水处理工艺。设备清洗用水也由自来水更换为去离子水。在车间去离子水总管道上引一支路至设备清洗机器，支路上加装1 个手动球阀，便于人工控制水量。

对原废水处理池进行清污冲洗，将原中和池和沉淀池内的废水用泵抽空并将其中的污泥清理干净，检查内部有无损坏，确保废水处理过程中无杂质渗入。

4.2 过滤系统改造

因生产废水中可能会存在部分杂质，直接回用带有杂质的废水会堵塞生产过程中的精密仪表，造成不必要的损失。因此，废水在回用前需先通过过滤系统，确保无悬浮颗粒物才可回用。

改造系统选择全自动板框（箱式）压滤机为过滤系统主设备，其处理废水量约为30 t∕d，并可做到固液分离。过滤系统分离出来的滤块经处理后同样可以回收利用。系统每天可处理6 kg 的杂质滤饼，且无需人工操作，大大节约了处理废水的人工成本。在过滤系统后加设清水缓存罐并对原有设备清洗水缓存系统进行改造，在清水储存罐与冷水机组水箱间加1 台输送泵，根据冷水机组水箱水位的高低启停补水。

4.3 废水治理工艺结果验收

在使用新型废水治理工艺后，该厂生产过程顺利实现了废水零排放，同时生产过程运行良好。该废水治理工艺较传统的次氯酸钠氧化法联合硫酸中和法节省了大量的运行原材料和人工成本，使用生产废水代替70 ℃工艺用水，还节省了70 ℃工艺用水加热使用的天然气量［14］。另外，在节约废水治理药品投入的同时，还避免了传统治理工艺使用硫酸等危化品等缺点。