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利用电渗析技术处理硝酸铵冷凝废水

更新时间:2009-10-22 20:51 来源: 作者: 汪家铭 阅读:5581 网友评论0

摘要:介绍了电渗析技术的工艺原理、技术特点、国内概况以及应用在硝酸铵生产冷凝废水处理的一个实 例。实践证明:电渗析装置用于处理硝酸铵生产中氨氮严重超标的冷凝废水,能有效实现资源回收、节能减排、 循环经济的目的,具有独特的优势和推广应用价值。

关键词:电渗析技术;硝酸铵冷凝废水;废水处理;原理;实例

我国传统的硝酸铵生产装置大多技术装备陈 旧,工艺落后,环保水平偏低,在生产过程中产生 大量的含氮工业废水。特别是由于硝酸铵生产工艺 决定的由稀硝酸带入的水分在中和、蒸发及结晶过 程中以二次蒸汽的形式排出,形成的工艺冷凝液中 含有硝酸铵和氨,成为硝酸铵生产的主要废水源。 这些冷凝液若直接排放,会使排放水中氨氮含量严 重超标,造成地表水体的富营养化,破坏水环境的 生态平衡。如直接送回硝酸吸收塔回用又不利于生 产安全,并且还不能全部回收利用。由于缺乏有效 的治理措施,一些厂家采用兑水稀释的办法以实现 达标排放,耗费大量的水资源。目前,新修订的地 方和行业污水排放标准都相继提高了氨氮标准,并 对污染物的排放限值、水污染物基准排水量和排放 浓度都做了相应规定。因此,硝酸铵冷凝液的治理 及回收利用成为硝酸铵生产企业面临的亟待解决的 难题。

目前已开发出利用电渗析(ED)技术处理硝酸 铵冷凝废水的新工艺,既可将废水中的硝酸铵回用 于生产系统,同时又使冷凝废水实现达标排放。电 渗析技术从20世纪50年代确立以来,在工程技术 应用过程中迅速崛起,所起的作用与日俱增。我国 是从1958年开始电渗析工程的研究开发工作,属 于世界上起步较早的国家之一[1]。

1.工艺原理

电渗析是在直流电场作用下,以电位差为推动 力,利用离子交换膜的选择透过性,把电解质从溶 液中分离出来,从而实现溶液的淡化、浓缩、精化或纯化的目的。利用电渗析脱盐这一特性,从某些 化工、医药、食品等产品中去除无机电解质,达到 分离、净化、提纯和精制的目的,以提高产品的品 质。并且逐渐扩大到海水淡化和制取工业纯水的给 水处理中,在重金属废水、放射性废水等工业废水 处理中都已得到了应用[2]。

电渗析系统由一系列阴膜、阳膜交替排列于 阴、阳两电极之间组成许多由膜隔开的小水室。当 原水进入这些小室时,溶液中的离子选择性地透过 离子交换膜,阳离子交换膜CM只允许阳离子通 过,阻挡阴离子通过,而阴离子交换膜AM则反 之。在直流电场的作用下,溶液中的离子作定向迁 移。阳离子向阴极迁移,阴离子向阳极迁移,从而 发生溶液中的溶质与水分离。由于离子交换膜具有 选择透过性,结果使一些小室离子浓度降低而成为 淡水室,与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子 而成为浓水室。一个淡水室和一个浓水室总称为一 个单元。一套电渗析装置就是由若干个这样的单元 组成的。从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。 原水中的溶质得到了分离和浓缩,水便得到了净 化。其工艺原理见图1。

在硝酸铵工艺冷凝液处理中,进入电渗析系统 的冷凝液分为3股,一股作为传导电流和离子迁移推动力的极水,另两股进入电渗析系统后,NH4+和NO 3 -在直流电场作用下进行离子迁移,NH4+可通过阳离子交换膜CM向阴极迁移,NO 3-可通过阴离子交换膜AM向阳极迁移,从而实现了硝酸铵冷凝液中硝酸铵的分离和回收处理。

2.技术特点

电渗析和离子交换、反渗透一样,也是分离、 提取物质的一种方法,其主要的缺点是运行过程中 易发生浓差极化而产生结垢,与反渗透技术相比, 脱盐率较低[3]。但电渗析技术的优势也是十分突出 的,主要特点如下。

2.1装置设计灵活

除盐率比较任意,根据需要可在30%~99% 的范围内选择。原水回收率较高,一般能达到 65%~80%。装置设计与系统应用灵活,根据不同的条件要求,可以灵活地采用不同形式的系统设计,并联可增加产水量,串联可提高脱盐率,循环或部分循环可缩短工艺流程。整个操作简单,易于实现机械化和自动化控制。

2.2能量消耗低

电渗析过程无相变,在一定的含盐量条件下,是用清洁能源电力来将水中已离解的离子迁移掉,动力耗电也较低,经济效益显著,是目前比较经济 的水处理技术之一。同时在常温下进行,产品性能 影响小,适用于氨基酸、维生素等热敏的活泼化合 物的生产,减少了破坏其结构的可能性或减少副反应的发生,稳定了产品质量。

2.3无环境污染

电渗析运行时,工艺过程洁净,不象离子交换 树脂那样有饱和失效问题,所以不用酸、碱频繁再生,也不需要加入其它药剂,仅在定时清洗时用少量的酸,即可实现提取有价值成分,达到分离、净化、提纯和精制产品的目的,对环境基本无污染。与反渗透相比,也没有高压泵的强烈噪声,有利于实施清洁文明生产。

2.4使用寿命长

装置预处理工艺简便,设备经久耐用。分离专 用膜一般可用3~5 a,电极可用7~8 a,隔板可用 15 a左右。且操作维修方便。

3.电渗析技术处理硝酸铵冷凝液概况

电渗析技术过去主要应用于苦咸水脱盐以及锅 炉和工业工程用初级纯水的制备等,随着具有更好 选择性、热稳定性、化学稳定性和力学性能的新型 离子交换膜的出现,电渗析技术也不断得到改进和 提高[4],目前已发展成为一个大规模的化工单元过 程,产业应用领域也有了新的扩展,完全可以适应 硝酸铵生产的数量较多的冷凝废水的治理需要。

每生产1 t硝酸铵,排出硝酸铵和氨的质量浓 度分别为3~5 g/L和2 g/L的废水0.5~0.8 t。硝 酸铵和氨在水中形成的硝酸盐溶解度高,稳定性 好,难于形成共沉淀或吸附。因此,传统的简单的 水处理技术,如石灰软化、过滤等工艺难以除去水 中的硝酸盐。目前,从水中去除硝酸盐的方法虽然 有化学脱氮、催化脱氮、反渗透、电渗析、离子交 换、生物脱氮等多种,但电渗析技术选择性除去 硝酸盐的方法工艺流程简单可靠、不需要添加任 何化学试剂,可使硝酸盐的质量浓度从50 mg/L降 到25 mg/L以下,处理氨氮的质量浓度为2 000~ 3 000 mg/L的废水,去除率在85%以上,同时可 获得8.9%的浓氨水。

电渗析技术处理硝酸铵冷凝废水的工艺分为中 和调节和电渗析分离回收两部分,首先通过加稀硝 酸或氨对冷凝废水中氨或稀硝酸进行中和反应生成 硝酸铵,再采用电渗析膜法将中和调节后的冷凝液 进行浓缩回收。目前开发出的新工艺还实现了装置 压力、温度、流量、pH值的自动控制调节,确保 废水处理与回用装置长周期安全稳定运行。

以处理量为960 t/d的硝酸铵冷凝废水的电渗 析系统为例,固定资产投资1 280万元,运行费用 根据冷凝废水的水质情况有所差异。处理每吨冷凝 液大致耗用冷却水6~7 t,耗电10 kW·h,离子交 换膜正常使用时间为3~5 a,更换膜每组费用30 万元[5]。实践证明,相对于其它生化处理的方法, 电渗析工艺处理硝酸铵废水能达到节能减排、循环 利用的效果,而且2 a左右就可收回全部投资。 目前国内现有50余家硝酸铵生产企业,已有 川化股份有限公司、陕西兴化化学股份公司、山东 联合化工有限公司、贵州开磷集团剑江化肥厂等6 家硝酸铵企业应用了该工艺,使用效果良好,硝酸 铵冷凝废水实现了达标排放,排放水中氨氮指标低 于国家新制定标准。陕西兴化化学股份公司30万 t/a硝酸铵装置成功应用了电渗析技术处理硝酸铵 冷凝废水,实现了废水资源化回用,硝酸铵回收率 超过99%,公司外排水氨氮的质量浓度小于30 mg/L,每天减排废水720 t。

4.应用实例

川化股份有限公司原有结晶硝酸铵和造粒硝酸 铵装置各1套,11万t/a结晶硝酸铵装置,采用传 统的中和反应、二段蒸发和真空结晶工艺。原有 13.5万t/a造粒硝酸铵装置改为11万t/a塔式造粒 硝基复合肥装置,采用传统的中和反应、一段蒸发 和熔融造粒工艺。这2套装置的中和蒸汽经冷凝器 冷凝和蒸发蒸汽经表冷器冷凝后形成的氨氮含量较 高的冷凝液,由于以前国内尚无成熟可靠的技术进 行处理,只能通过稀释的方式进行处理,致使硝酸 铵和硝基复合肥装置排水量达900 m3/h,氨氮排放 的质量浓度为95~160 mg/L,月平均氨氮排放总 量为50~110 t,不仅造成了水质严重污染,而且 还浪费了大量的原材料和水资源。

为了解决硝酸铵冷凝液回收利用这一难题,公 司决定采用电渗析技术来处理,利用电渗析特有的 特性来达到浓缩硝酸铵,淡化排放水,从而实现治 理和回收的目的。其处理的工艺过程为:冷凝废水 先经中和调节系统处理,用硝酸调节至pH值6左 右后的冷凝液进入废水收集罐,然后经冷却器冷却 到30℃以下,再用水泵送入过滤精度为10μm的 精密过滤器中,过滤掉杂质后的冷凝废水进入电渗 析系统进料罐,随后进入电渗析装置,废水中的 NH4+和NO3-通过离子交换膜,进行浓缩和淡化处 理。所得的淡水回到硝酸铵循环水系统作补充水 用,浓缩水回到硝酸生产系统循环使用。

整个电渗析装置由24台具有特殊专用膜的电 渗析单元所组成,分布在冷凝废水处理的循环浓缩 系统和淡化回收系统。这2个系统分别由12台电 渗析单元组成,每3台组成一个串联系统运行,冷 凝废水的最大处理量为36 t/h,能够满足生产负荷的需要。硝酸铵冷凝废水经电渗析装置循环浓缩、淡化处理后,浓水中硝酸铵的质量分数为20%, 回收率达96%以上,合格淡水排放水中氨氮的质量浓度不大于40 mg/L。冷凝废水中氨、硝酸、硝酸铵每年削减或回收的量分别为113.54、362.23、 88.34 t,氨氮排放总量从每年的71.208 t减少到 10.162 t,减少量为61.046 t,削减85.73%,不仅达到了减少硝酸铵废水排放量,消除污染的目的, 而且还提高了资源综合利用率,降低了生产成本,取得了显著的环保效益和经济效益。

5.结语

电渗析技术作为一项高科技手段,以其高效、 节能、无三废、占地少等优点,通过不同工艺组 合,已经越来越广泛地应用于化工、染料、冶金、 食品、医药、生物工程等领域的特种分离、环保工 程、资源回收、有机电解、食品脱盐浓缩等,以其 许多出色的应用实例,证实了其在技术上的先进性 以及其它分离方法所不能替代的若干优异的特点, 已成为一种重要的水处理方法,并日益受到重视。 在硝酸铵生产中,电渗析技术用于处理氨氮严重超 标的冷凝废水,对氨、硝酸铵和排放水进行回收利 用,装置投资少和操作费用较低,实现了消除污 染、节能减排、清洁生产的目标,是一项把废水处 理、环境保护与资源回收、循环经济有效结合起来 的新技术,具有十分广阔的推广应用前景。

参考文献:
[1]李广,梁艳玲,韦宏.电渗析技术的发展及应用[J].化工技术 与开发,2008,37(7):28-30.
[2]周军,叶长明,徐驷蛟,等.电渗析技术在工业废水处理中应 用的研究[J].通用机械,2007,(7):33-37.
[3]杨金贤,张军良,叶彦春,等.双极性膜电渗析技术及应用 [J].化工新型材料,2005,33(2):66-69.
[4]黄万抚,罗凯,李新冬.电渗析技术应用研究进展[J].中国资 源综合利用,2003,21(11):15-19.
[5]唐文骞.浓硝酸、硝盐生产中废水处理方法探讨[J].化肥设 计,2008,46(6):54-55.

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