第十章其他相转移分离法 第一节吹脱、汽提法 吹脱和汽提都属于气液相转移分离法,即将气体(载气)通入废水中,使之相互充分接 触,使废水中的溶解气体和易挥发的溶质穿过气液界面,向气相转移,从而达到脱除污染物 的目的。常用空气或水蒸气作载气,习惯上把前者称为吹脱法,后者称为汽提法。 水和废水中有时会含有溶解气体。例如用石灰石中和含硫酸废水时产生大量CO2;水在软 化脱盐过程中经过氢离子交换器,产生大量CO2;某些工业废水中含有H2S,HCN、NH3、CS2 及挥发性有机物等。这些物质可能对系统产生侵蚀,或者本身有害,或对后续处理不利,因 此,必须分离除去。产生的废气根据其浓度高低,可直接排放、送锅炉燃烧或回收利用。 将空气通入水中除了吹脱作用以外,还伴随充氧和化学氧化作用,例如H2S+ S+H2O。 、吹脱法 吹脱法的基本原理是气液相平衡和传质速度理论。在气液两相系统中,溶质气体在气相 中的分压与该气体在液相中的浓度成正比。当该组分的气相分压低于其溶液中该组分浓度对 应的气相平衡分压时,就会发生溶质组分从液相向气相的传质。传质速度取决于组分平衡分 压和气相分压的差值。气液相平衡关系和传质速度随物系、温度和两相接触状况而异。对给 定的物系,通过提高水温,使用新鲜空气或负压操作,增大气液接触面积和时间,减少传质 阻力,可以达到降低水中溶质浓度、增大传质速度的目的 吹脱设备一般包括吹脱池(也称曝气池)和吹脱塔。前者占地面积较大,而且易污染大 气,对有毒气体常用塔式设备 1、吹脱池 依靠池面液体与空气自然接触而脱除溶解气体的吹脱池称自然吹脱池,它适用于溶解气 体极易挥发,水温较高,风速较大,有开阔地段和不产生二次污染的场合。此类吹脱池也兼 作贮水池,其吹脱效果按下式计算: 043g t-0.207 (10-1) 式中t—·废水停留(吹脱)吋间,min; c、c2-分别为气体初始浓度和经过t后的剩余浓度,mg/L; h-—水层深度,mm; D—气体在水中的扩散系数,cm2/min。 O2、Hs、CO2和Cl2的扩散系数分别为1.1×10-3,8.6×10-,9.2×10-和7.6×10 由上式可知,欲获得较低的c2,除延长贮存吋间外,还应当尽量减小水层深度,或增大表 面积。 为强化吹脱过程,通常向池内鼓入空气或在池面以上安装喷水管,构成强化吹脱池。其
吹脱效果按下式计算 g=0.43B·:v (10-2) 式中S—一气液接触面积,m2; 废水体积,m3; β—吹脱系数,其值随温度升高而增大,25℃时,H2S、SO2、NH3、CO2、O2和H2的 吹脱系数分别为0.07、0.055、0.015、0.17、1和 喷水管安装高度离水面1.2~1.5m。池子小时,还可建在建筑物顶上,高度达2~3m。为 防止风吹损失,四周应加挡水板或百叶窗。喷水强度可采用12m3/m2·h 国内某维尼纶厂的酸性废水纶 石灰石滤料中和后,废水中产生大 量的游离CO2,pH4.2~4.5,不能 空气管 满足生物处理的要求,因此,中和 g滤池的出水经预沉淀后,进行吹脱 处理。吹脱池为一矩形水池,见图 10-1,水深1.5m,曝气强度为25 3m2/m2·h,气水体积比为5,吹 脱时间为30~40min。空气用塑料 图10-1折流式吹脱池(尺寸单位:毫米) 穿孔管由池底送入,孔径10mm,孔 距5cm。吹脱后,游离CO2由700mg/降到120~140mg/L,出水pH达6~6.5。存在问题 是布气孔易被中和产物CaSO4堵塞,当废水中含有大量表面活性物质时,易产生泡沫,影响 操作和环境。可用高压水喷射或加消泡剂除泡。 2.吹脱塔 为提高吹脱效率,回收有用气体,防止二次污染,常釆用填料塔、板式塔等高效气液分 离设备 填料塔的主要特征是在塔内装置一定高度的填料层,废水从塔顶喷下,沿填料表面号薄 膜状向下流动。空气由塔底鼓入,呈连续相由下而上 同废水逆流接触。塔内气相和水相组成沿塔高连续变 回收或燃烧 化,系统如图I0-2所示 气液旋流 板式塔的主要特征是在塔内装置定数量的塔度水 分离器 板,废水水平流过塔板,经降液管流入下一层塔板。空 填 气以鼓泡或喷射方式穿过板上水层,相互接触传质塔 内气相和水相组成沿塔高呈阶梯变化。泡罩塔和浮阀 塔的构造示意见图I0-3。 吹脱塔的设计计算同吸收塔相仿,单位时间吹脱废水 的气体量,正比于气液两相的浓度差(或分压差)和 两相接触面积 图10-2吹脱塔流程示意图 G=K·A (10-3) 式中G一-单位时间内由水中吹脱的气体量 G=Q(c-c)×103,kg/h
-废水流量 co、c—分别为原水和出水中的气体浓度,mg/L; 吹脱过程的平均推动力,可近似取co和c的对数平均值; A——气液两相的接触面积,m2,由填料体积和特性参数确定; K—吹脱系数,与气体性质,温度等因素有关,m/h。吹脱CO2时 1.02D (10-4) 式中D2—水温tC时水中CO2的扩散系数,m2/h; D=D201+0.02(-20) D20水温20℃时的扩散系数,为6.4×106m2/h; q—淋水密度,m3/m2h; d填料的当量直径,m; y—水的运动粘度,m2/h 吹脱H2S时, Ku2sn(50.7+110/0 (10-5) n为常压下H2S在水中的溶解度,kg/m3,可用下式计算 n=6.993-0.1975T+2.507×10-32 (10-6) 式中T—水温,℃; f—吹脱塔的截面积,m2。 液1 (a)泡罩塔的塔板构造 (b)浮塔示意图 板;2—泡罩;3—蒸气通道;4—降液管 1塔板;2—浮阀,3-降液管;4-塔体 图10-3板式吹脱塔的构遣示意图 选择鼓风机时,其风量为(30~40)Q;进风压力为p=a1h+400,式中a1为单位填料高 度的空气阻力。一般a1=200~5009a/m填料。ho为填料高度,400为进出风管和填料支承架 等的空气阻力经验数值,Pa。 从废水中吹脱出来的气体,可以经过吸收或吸附回收利用。例如,用NaOH溶液吸收吹
脱的HCN,生成NaCN;吸收H2S,生成Na2S,然后将饱和溶液蒸发结晶;用活性炭吸附H2S 饱和后用亚氮基硫化物的溶液浸洗,饱和溶液经蒸发可回收S 在吹脱过程中,影响因素很多,主要有以下几点。 (1)温度在一定压力下,气体在水屮的溶解度随温度升高而降低,因此,升温对吹脱 有利。 (2)气水比空气量过小,气液两相接触不够;空气量过大,不仅不经济,还会发生液 泛,使废水被气流带走,破不操作。为使传质效率较高,T程上:常采用液泛时的极限气水比 的80%作为设计气水比。 (3)pH值在不同pH值条件下,气体的存在状态不同。废水中游离H2S和HCN的含 量与pH值的关系如表10-1所示。因为只有以游离的气体形式存在才能被吹脱,所以对含S4- 和CN的废水应在酸性条件下进行吹脱 表10-1游离H2S、HCN与pH值的关系 H值 游离H2S,% 游寓HCN,% 99.3 93.3 58.1 汽提法 汽提法用以脱除废水屮的挥发性溶解物质,如挥 发酚、甲醛、苯胺、硫化氢、氨等。其实质是废水与 水蒸气的直接接触,使其中的挥发性物质按一定比例 扩散到气相中去,从而达到从废水屮分离污染物的 日的 单位体积废水所需的蒸汽量称为汽水比,用V。表 示。假定在废水进口处气液两相传质已达平衡,可得 5 如下关系 (10-7) (108) 脱酚废水 式中,k为汽液平衡时溶质在蒸汽冷凝液与废水屮的 循环 浓度之比,或称分配系数。对低浓度(0.01~0.1N)废 水,可视为定值。挥发酚、苯胺、游离NH3,甲基苯 胺、氨基甲烷的k值分別为2、5.5、13、19和11 酚钠盐 实际生产中,汽提都是在不平衡的状态下进行的, 同时还有热损失,故蒸汽的实际耗量比理论值大, 为2~2.5倍 图104汽提法脱酚装置 一预热器;2—汽提段;3再生段 常用的汽提设备有填料塔、筛板塔、泡罩塔、浮 4鼓风机;5一集水槽;6一水封 阀塔等 1.含酚废水处理 汽提法最早用于从含酚废水中回收挥发酚,其典型流程如图10-4所示。汽提塔分上T两
179 段,上段叫汽提段,通过逆流接触方式用蒸汽脱除废水中的酚;下段叫再生段,同样通过逆 流接触,用碱液从蒸汽中吸收酚。其工作过程如下:废永经换热器预热至100℃后,由汽提塔 的顶部淋下,在汽提段内与上升的燕汽逆流接触,在填料层中或塔板上进行传质。净化的废 水通过预热器排走。含酚蒸汽用鼓风机送到再生段,相继与循环碱液和新碱液(含NaOH0%) 接触,经化学吸收生成酚钠盐回收其中的酚,净化后的蒸汽进入汽提段循环使用。碱液循环 在于提高酚钠盐的浓度,待饱和后排出,用离心法分离酚钠盐晶体,加以回收。 汽提脱酚工艺简单,对处理高浓度(含酚1g/1以上)废水,可以达到经济上收支平衡, 且不会产生二次污染。但是,经汽提后的废水中一般仍含有较高浓度(约400mg/L)的残余 酚,必须进一步处理。另外,由于再生段内喷淋热液的腐蚀性很强,必须采取防腐措施 2.含硫废水处理 石油炼厂的含硫废水(又称酸性水)中 含有大量H2S(高达10g/)、NH2(高达5g H2S气体及NH L),还含有酚类、氰化物、氯化铵等。一般 (至回收系统 先用汽提回收处理,然后再用其他方法进行 处理。处理流程如图10-5所示。含硫废水经 :理 蒸 隔油、预热后从顶部进入汽提塔,蒸汽则从进水 底部进入。在蒸汽上升过程中,不断带走H2S 和NH3。脱硫后的废水,利用其余热预热进 水,然后送出进行后续处理。从塔顶排出的 图10-5燕汽单塔汽提法流程 含H2S及NH3的蒸汽,经冷凝后回流至汽提 塔中,不冷凝的H2S和NH3,进入回收系统,制取硫磺或硫化钠,并叮副产氨水 国外某公司采用两段汽提法处理含 H:S(含50mg/L(重)NH3) 硫废水,工艺流程如图10-6所示。酸性 脱气冷凝水 废水经脱气(除去溶解的氢、甲烷及其 环操塔 化氢 他轻质烃)后进行预热,送入H2S汽提 氨汽提塔 塔,塔内温度约38℃·压力0.68MPa 循环返至进水NH含50mg/L (表)。H2S从塔顶汽提出来,水和氨从塔 底排出。塔顶气相仅含NH350mg/L,可 汽提净水至装置 直接作为生产硫或硫酸的原料。水和氨 脱气酸性水来自贮離 50mg/L(重)NH3 进入氨汽提塔,塔内温度94℃,压力 5mg/L(量)HS 0.34MPa(表)。氨从塔顶蒸出,进入氨 图106双塔汽提废水处埋(WWT法)流程 精制段,除去少量的H2S和水,在38C、 1.36MPa下压缩,冷凝下来的NH3含 H2O<1g/L,含HS<5mg/L,可作为液氨出售。氨汽提塔底排出的水可重复利用 据报道,该公司用此流程处理含硫废水,流量45.6m3/h,每天可回收H272.6吨,NH2 36.3吨,2.3年可回收全部投资 国內也有多家炼油厂采用类似的双塔汽提流程处理含硫废水,将含H2S290~2170mg L,含NH365~1300mg/L的原废水净化至含H2S0.95~12mg/L,含NH44~5mg/L。运 转表明,该系统操作方便,能耗低。 除了用水蒸气汽提以外,也可用烟气汽提处理炼油酸性含硫废水