申请日2017.12.05
公开(公告)日2018.07.31
IPC分类号C02F9/14; C02F101/16
摘要
本实用新型公开一种高氨氮废水脱氨氮系统，它包括与有机废水池依次连接的过滤器和废水脱气罐，其底部脱气沼液管线依次连接有进料泵和板式换热器的沼液进口，板式换热器的沼液出口与汽提塔上部的进料口连通，汽提塔顶部的出气口与循环水换热器的进气口连通，循环水换热器的液氨出口与氨分离塔回流罐进口连通，氨分离塔回流罐出口与氨分离回流泵连通，氨分离回流泵分别连接有液氨储罐和汽提塔上部的液氨回流管口，汽提塔底部的高温废水出口与板式换热器的高温进水口连通，高温废水出口还与氨分离塔回流换热泵连接，氨分离塔底换热器的废水出液口与汽提塔下部的回流口连通，本系统运行费用低，无二次污染，适用于大型沼气项目及垃圾渗滤液处理项目。
权利要求书
1.一种高氨氮废水脱氨氮系统，其特征在于：它包括与有机废水池(20)依次连接的过滤器(1)和废水脱气罐(2)，所述废水脱气罐(2)底部的脱气沼液管线依次连接有进料泵(4)和板式换热器(5)的沼液进口，所述废水脱气罐(2)顶部的出气管依次连接有真空泵(3)和发电机烟气系统(21)，
所述板式换热器(5)的沼液出口与汽提塔(6)上部的进料口(6.1)连通，所述汽提塔(6)顶部的出气口(6.5)与循环水换热器(9)的进气口连通，所述循环水换热器(9)两端设置有循环水进水管(22)和循环水出水管(23)，所述循环水换热器(9)的液氨出口与氨分离塔回流罐(10)进口连通，所述氨分离塔回流罐(10)的出口与氨分离回流泵(11)的入口连通，所述氨分离回流泵(11)的出口分别连接有液氨储罐(12)和汽提塔(6)上部的液氨回流管口(6.2)，
所述汽提塔(6)底部的高温废水的出口(6.4)与板式换热器(5)的高温进水口连通，所述板式换热器(5)的低温进水口与生化池(13)连通;所述高温废水出口(6.4)还与氨分离塔回流换热泵(7)的入口连接，所述氨分离塔回流换热泵(7)的出口与氨分离塔底换热器(8)的废水进液口连通，所述氨分离塔底换热器(8)的废水出液口与汽提塔(6)下部的回流口(6.3)连通，所述氨分离塔底换热器(8)两端分别连接有蒸汽系统(24)和冷凝水系统(25)。
2.根据权利要求1所述高氨氮废水 脱氨氮系统，其特征在于：所述进料泵(4)和板式换热器(5)之间的管线上设置有流量液位串级控制器A(14);所述氨分离回流泵(11)与液氨回流管口(6.2)之间的管线上设置有流量液位串级控制器B(15);所述板式换热器(5)与生化池(13)之间的管线上设置有流量液位串级控制器C(16)。
3.根据权利要求2所述高氨氮废水脱氨氮系统，其特征在于：所述流量液位串级控制器A(14)、流量液位串级控制器B(15)和流量液位串级控制器C(16)均包括控制阀(26)，所述控制阀(26)上并联有流量计(27)，所述流量计(27)连接有液位计(28)，所述流量液位串级控制器A(14)、流量液位串级控制器B(15)和流量液位串级控制器C(16)中三个液位计(28)分别与废水脱气罐(2)、汽提塔(6)和氨分离塔回流罐(10)连接。
4.根据权利要求3所述高氨氮废水脱氨氮系统，其特征在于：所述氨分离塔底换热器(8)与蒸汽系统(24)之间的管线上设置有流量控制器A(17)，所述汽提塔(6)与氨分离塔回流换热泵(7)之间的管线上设置有流量控制器B(18)，所述氨分离回流泵(11)与液氨储罐(12)之间的管线上设置有流量控制器C(19)。
5.根据权利要求4所述高氨氮废水脱氨氮系统，其特征在于：所述流量控制器A(17)、流量控制器B(18)和流量控制器C(19)均包括控制阀(26)，所述控制阀(26)上并联有流量计(27)。
6.根据权利要求5所述高氨氮废水脱氨氮系统，其特征在于：所述流量液位串级控制器B(15)中的流量计(27)与流量控制器A(17)中的流量计(27)连通。
说明书
高氨氮废水脱氨氮系统
技术领域
本实用新型涉及环境工程领域，具体涉及一种高氨氮废水脱氨氮系统，也适用于市政垃圾渗滤液脱氨氮系统。
背景技术
沼气池中禽畜粪污经过30天以上的厌氧发酵制取沼气后形成棕褐色的固形物和液体为沼渣沼液，又称为沼肥。沼渣水分含量60%～80%，沼液水分含量96%～99%，pH值为6.5～8.0。沼液中不仅保存了植物所需的氮、磷、钾，并且含有丰富的氨基酸，各种水解酶，生长素和沼气发酵菌种等。沼渣沼液属于迟效与速效兼备，速效多于迟效的有机肥，它发酵后生粪中带有的人畜共患疾病病菌和部分植物病虫害生物源大部分已被杀灭，它们是优质的有机肥和沼气池启动接种菌种。
沼液作为大型沼气工程的副产物，同时也是优质的肥料，特别是种养殖集中的区域，以畜禽粪污作为原料的大型沼气工程，沼液中几乎不含有毒有害成分，综合利用的价值较高，目前，大型沼气工程的沼液基本都是按照农田灌溉标准处理，《沼气工程沼液沼渣后处理技术规范》(NY/T 2374-2013)是目前国内沼气工程沼液处理的指导性的标准，由农业部门主导，沼液处理方式采用罐车或者管道输送的方式就近还田消纳，但是如果建设地远离大型农田，这种纯碎的灌溉模式处理沼液模式就存在问题。2014年1月1日开始实施的《畜禽规模养殖污染防治条例》，第二十条明确说明：向环境排放经过处理的畜禽养殖废弃物，应当符合国家和地方规定的污染物排放标准和总量控制指标。畜禽养殖废弃物未经处理，不得直接向环境排放。所以沼液多元化处理对于大型沼气工程就显得十分必要。
随着农村生态环保意识的加强，目前大型沼气工程从传统的大型养殖场走向更多的领域，沼气的建设地点也从传统的北方养殖场，大型的农场走向一般农村和市郊，沼气的建设模式也从传统的单纯处理固体有机废弃物到沼气综合利用模式，目前大型养殖场气热电肥联产模式、大型养殖场直供农户模式、集中型沼气纯化入网模式、集中型沼气车载供气模式、餐厨垃圾沼气发电模式。多种模式综合处理有机固体废弃物的同时，产生巨大的经济效益，以上多种模式下的沼气，如果建设地在远离农田灌溉区的农村或者市郊，沼液处理中利用大型牧场草原还田不具备可操作性，那么沼液综合利用就成为了制约大型沼气工程的关键性因素。大量的沼液需要深度处理后大便排放，以鸡粪作为原料产生的沼液还有有个典型的特点就是沼液氨氮含量非常高，可达到4000ppm以上，其他生化指标也较高，沼液直接生化处理效果不理想，一般需要对沼液进行预处理降低沼液中的NH3-N，再进入废水生化池处理，达标后排放。
与此同时，根据我国垃圾处理"无害化、减量化、资源化"的原则，将有一大批生活垃圾卫生填埋场要新建。而垃圾渗滤液是否处理达标排放,是衡量一个填埋场是否为卫生填埋场的重要指标之一。一个不合格的垃圾填埋场，就是一个大的污染源，如不及时对其进行收集、处理，将造成对地下水、地表水及垃圾填埋场周围环境的污染和影响。尤其是它对地下水源和土壤的污染更为严重。一些旧的垃圾填埋场由于没有采取防渗措施，产生的渗滤液渗入地下水中，造成对地下水的严重污染。其污染延续时间可以长达数十年，甚至上百年。一旦地下水源和周围土壤被其污染，想用人工方法实施再净化，技术上将非常困难，其费用也极其昂贵，难以实施，从而严重威胁到人的生活和生产。
垃圾渗滤液水质特点如下：(1)渗滤液水质十分复杂，不仅含有耗氧有机污染物，还含有各类金属和植物营养素(氨氮等)，如果工业部门使用垃圾填埋场，渗滤液中还会有有毒有害有机污染物;(2) COD和BOD浓度高，最高可达几万，远远高于城市污水;(3)垃圾渗滤液中有机污染物种类多，其中有难以生物降解的萘、菲等非氯化芳香族化合物、氯化芳香族化合物、磷酸酯、邻苯二甲酸酯、酚类化合物和苯胺类化合物等;多氯联苯、多环芳烃等国家环保部优先控制污染物，还有些内分泌干扰素类物质。(4)垃圾渗滤液中含有10多种金属离子，其中的重金属离子会对生物处理过程产生严重抑制作用;(5)氨氮含量高，C/N比例失调，磷元素缺乏，给生物处理带来一定的难度。
综上，现行的沼液作为废水达标排放处理工艺，主要采用的工艺有两个方向：一个是利用膜浓缩的方式，浓缩液可以用于高浓度的叶面肥生产，浓缩后的废水COD和氨氮都大大的降低，控制浓缩工艺可以做到达标排放或者简单生化处理后达标排放;另外一个就是采用传统的有机废水处理的方式，采用多级生化处理，最终达标排放，垃圾渗滤液因为成分复杂，必须采用达标排放的处理方式，当然也可以采用膜浓缩等工艺，但是如果采用多级生化池处理，在这类高氨氮的废水，传统的生化处理工程菌在高氨氮的环境中的活性不好，严重影响废水处理的效率。膜分离处理废水对氨氮没有要求，但是处理费用相对昂贵，采用多级生化处理工艺处理费用较低但是不适合高氨氮的沼液和垃圾渗滤液，所以在生化处理之前，需要对沼液和垃圾渗滤液做除氨氮的预处理。
目前，氨氮废水处理方法主要有两大类，即物化法和生物法。常见的物化法和生物法简述如下：
(1)物化法
①吹脱法
在碱性条件下，利用氨氮的气相浓度和液相浓度之间的气液平衡关系进行分离的一种方法，一般认为吹脱与温度、PH、气液比有关。
②沸石脱氨法
利用沸石中的阳离子与废水中的NH4+进行交换以达到脱氮的目的。应用沸石脱氨法必须考虑沸石的再生问题，通常有再生液法和焚烧法。采用焚烧法时，产生的氨气必须进行处理。
③膜分离技术
利用膜的选择透过性进行氨氮脱除的一种方法。这种方法操作方便，氨氮回收率高，无二次污染。氨氮在水中存在着离解平衡，随着 PH升高，氨在水中NH3形态比例升高，在一定温度和压力下，NH3的气态和液态两项达到平衡。根据化学平衡移动的原理，在自然界中一切平衡都是相对的和暂时的。化学平衡只是在一定条件下才能保持，“假若改变平衡系统的条件之一，如浓度、压力或温度，平衡就向能减弱这个改变的方向移动。”遵从这一原理进行了如下设计理念在膜的一侧是高浓度氨氮废水，利用压力差作为推动力，逆向渗透，将水从高浓度氨氮废水分离出来，达到脱氨氮的目的。
④MAP沉淀法
主要是利用以下化学反应：Mg2++NH4++PO43-=MgNH4PO4
理论上讲以一定比例向含有高浓度氨氮的废水中投加磷盐和镁盐，当[Mg2+][NH4+][PO43-]>2.5×10–13时可生成磷酸铵镁(MAP)，除去废水中的氨氮。
⑤化学氧化法
利用强氧化剂将氨氮直接氧化成氮气进行脱除的一种方法。折点加氯是利用在水中的氨与氯反应生成氮气脱氨，这种方法还可以起到杀菌作用，但是产生的余氯会对鱼类有影响，故必须附设除余氯设施。
(2)生物脱氮法
这是一种传统的处理方法，其原理是利用细菌微生物对污染物进行氧化分解。传统和新开发的脱氮工艺有A/O，两段活性污泥法、强氧化好氧生物处理、短程硝化反硝化、超声吹脱处理氨氮法方法等。
(3)生化联合法
物化方法在处理高浓度氨氮废水时不会因为氨氮浓度过高而受到限制，但是不能将氨氮浓度降到足够低(如100mg/L以下)。而生物脱氮会因为高浓度游离氨或者亚硝酸盐氮而受到抑制。实际应用中采用生化联合的方法，在生物处理前先对含高浓度氨氮的废水进行物化处理。再对低浓度氨氮进行生化处理，例如：生物活性炭流化床，膜-生物反应器技术(MBR)等。
以上常见的高浓度氨氮废水处理装置的弱点：
①无论是“吹脱+A/O或吹脱+化学沉淀”，都离不开高投资、高运行成本的预处理工艺，“吹脱”动力消耗太大，吹脱得到的混合气体需要用硫酸吸收得到硫酸铵溶液，消耗大量的无机酸，成本进一步提高，而且吹脱常压设备泄露严重、氨刺激性气味浓，明显不适合农村沼气这种生态环保项目。
②传统生化法采用续接A/O法时不仅投资高，而且占地面积大，对预处理进水的要求苛刻(如NH3-N需要小于200mg/L，吹脱法对超过2000mg/L以上的高浓度氨氮废水根本达不到这个要求，于是只能用成倍的清水稀释)。
③续接化学沉淀法虽然投资和占地面积都比A/O法小，但它药剂的消耗量太大，N：P：Mg之比都在1：1.1～1.2，处理药剂成本太高，而且出水也不可能达到国标一级或二级排放标准，有二次污染。
发明内容
本实用新型提供了一种高氨氮废水脱氨氮系统，这类系统以物化和生化联和作为出发点，采用汽提精馏的方法对沼液类高浓度有机废水预处理，将有机废水中氨氮从4000ppm降低到1000ppm以下，这个浓度对于连续A/O或者MBR等传统工艺比较适合，不会显著的提高处理成本生化池的运行负荷，氨氮和COD等指标协调。该系统解决了传统A/O连续生化处理沼液这类高氨氮的废水处理存在生化细菌不适应的问题，同时优化传统汽提除氨工艺解决传统蒸汽汽提工艺蒸汽消耗量大问题，解决沼气等工程中气电联产项目中蒸汽综合利用问题，从而提高整个系统的稳定性和能量综合利用。
该系统适用于鸡粪类厌氧沼气热电联产项目产生的高氨氮沼液达标排放生化处理的预处理系统。该系统还可以可用于农村畜禽粪污及农田秸秆综合利用产沼气工程、城市餐厨垃圾等有机废弃物综合处理产沼气工程、城市垃圾填埋和焚烧发电处理产生的垃圾渗滤液处理以及其他化工轻工有机废水废固产沼气工程。
为实现上述目的，本实用新型所设计一种高氨氮废水脱氨氮系统，它包括与有机废水池依次连接的过滤器和废水脱气罐，所述废水脱气罐底部的脱气沼液管线依次连接有进料泵和板式换热器的沼液进口，所述废水脱气罐顶部的出气管依次连接有真空泵和发电机烟气系统。
所述板式换热器的沼液出口与汽提塔上部的进料口连通，所述汽提塔顶部的出气口与循环水换热器的进气口连通，所述循环水换热器两端设置有连接有循环水进水管和循环水出水管，所述循环水换热器的液氨出口与氨分离塔回流罐进口连通，所述氨分离塔回流罐的出口与氨分离回流泵的入口连通，所述氨分离回流泵的出口分别连接有液氨储罐和汽提塔上部的液氨回流管口。
所述汽提塔底部的高温废水出口与板式换热器的高温进水口连通，所述板式换热器的低温进水口与生化池连通;所述高温废水出口还与氨分离塔回流换热泵的入口连接，所述氨分离塔回流换热泵的出口与氨分离塔底换热器的废水进液口连通，所述氨分离塔底换热器的废水出液口与汽提塔下部的回流口连通，所述氨分离塔底换热器两端分别连接有蒸汽系统和冷凝水系统。
进一步地，所述进料泵和板式换热器之间的管线上设置有流量液位串级控制器A;所述氨分离回流泵与液氨回流管口之间的管线上设置有流量液位串级控制器B;所述板式换热器与生化池之间的管线上设置有流量液位串级控制器C。
再进一步地，所述流量液位串级控制器A、流量液位串级控制器 B和流量液位串级控制器C均包括控制阀，所述控制阀上并联有流量计，所述流量计连接有液位计，所述流量液位串级控制器A、流量液位串级控制器B和流量液位串级控制器C中三个液位计分别与废水脱气罐、汽提塔和氨分离塔回流罐连接。
再进一步地，所述氨分离塔底换热器与蒸汽系统之间的管线上设置有流量控制器A，所述汽提塔与氨分离塔回流换热泵之间的管线上设置有流量控制器B，所述氨分离回流泵与液氨储罐之间的管线上设置有流量控制器C。
再进一步地，所述流量控制器A、流量控制器B和流量控制器C 均包括控制阀，所述控制阀上并联有流量计。
再进一步地，所述流量液位串级控制器B中的流量计与流量控制器A中的流量计连通。
上述系统的工作过程为：
(1)沼液经过过滤器过滤后进入废水脱气罐脱出沼液中的少量沼气和其他不凝气，少量沼气和不凝气由真空泵抽到发电机烟气系统 21;
(2)脱除废气的沼液通过进料泵进入板式换热器，换热器的目的是利用汽提塔塔底的高温废水出口的高温废水进行换热，提高沼液的温度，降温后的塔底废水进入生化池，进料泵和板式换热器之间设置流量液位串级控制器A，通过废水脱气罐的液位和进料泵管道上的流量串级控制进料;
(3)升温后的沼液进入汽提塔中上部的进料口，塔底沼液由又高温废水出口少部分进入上述步骤，另一部分沼液在中换热后去生化池，高温废水出口和生化池之间连接有流量液位串级控制器C，利用汽提塔的液位、高温废水出口和生化池13之间管线上的流量串级控制该管线上的控制阀的开启;
(4)塔底的大部分沼液由高温废水出口通过氨分离塔回流换热泵进入氨分离塔底换热器，高温废水出口和氨分离塔回流换热泵之间设置流量控制器B，控制该管线的流量。
(5)换热器热源用来自沼气内燃发电机(蒸汽系统)的高温烟气或者烟气换热器所产蒸汽，热源管线上设置流量控制器A，利用氨分离回流泵和回流口这条管线上的液氨回流量来来控制蒸汽热源的量，汽提塔内部的沼液在换热器中进行重沸加热回流，控制塔顶温度和压力，出气口得到纯氨气液混合物;
(6)出气口的气液混合物料进入循环水换热器降温得到液氨，液氨进入氨分离塔回流罐，氨分离塔回流罐内的液氨通过氨分离回流泵加压，大部分通过液氨回流管口回到汽提塔内，少部分进外排进入液氨储罐。氨分离回流泵和液氨回流管口之间设置流量液位串级控制器B，利用氨分离回流泵的液位、氨分离回流泵和液氨回流管口之间管线上的流量串级控制该管线上的控制阀的开启。氨分离回流泵和液氨储罐之间设置有流量控制器C，控制该管线的流量。
(7)通过以上工艺，沼液的氨氮浓度可以从4000ppm以上降低到1000ppm一下，控制汽提塔的回流比和塔板数量，以及工艺条件可以调整出口废水的氨氮浓度，一般降低到1000ppm以下都能适应多级A/O或其他生化处理池的废水处理要求，出口氨氮的浓度越高，生化池的处理负荷越大，反之本实用新型所用的脱氨氮装置的运行费用越高。可以根据沼液的氨氮浓度和下一步生化池的处理工艺选择合适的工艺条件。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型的系统相比直接用高氨氮废水多级A/O生化处理，本实用新型采用较少的占地面积和较少的投资物化方法除去高浓度氨氮废水中的游离氨，能显著的降低污水处理的占地面积和运行费用。
(2)本实用新型的系统相对于目前的主流吹脱法除氨氮的工艺，本实用新型采用带压运行方式，现场不会出现氨气泄漏等问题，本实用新型中的不凝气中含有的少量氨气也回到内燃机中高温燃烧掉，不会出现吹脱工艺中的二次污染问题。同时吹脱工艺得到的吹脱尾气必须通过加硫酸等无机酸化学吸收的方式处理，副产大量的硫酸铵溶液，浓度不高，处理或者利用难度大，本实用新型直接得到液氨，纯度高可以作为工业级液氨对外出售。
(3)本实用新型的系统相对于目前已有的汽提精馏除氨氮的工艺，目前的工艺采用主要有两条路线，第一路线是高压汽提精馏塔工艺，得到的产品是液氨，但是汽提精馏塔高温高压运行需要大量的重沸器在塔底加热以保证汽提精馏塔的运行，塔底采用燃气或者燃煤锅炉加热回流，这种工艺用于沼气项目势必燃烧相当数量的沼气，影响沼气发电机组的运行，采用燃煤锅炉的尾气脱硫脱硝以及锅炉系统都不太适合大型沼气工程，另一方面发电机烟气在大型沼气发电项目中除了冬天用于对发酵液预处理，春夏秋季大多高温烟气直接对空排放，一方面需要燃烧沼气用于加热塔底物料，一方面高温烟气对空直接排放，本实用新型将沼气内燃机产生的高温烟气或者经过烟气换热器的过热蒸汽用于塔底加热系统，有效的解决了能量综合利用问题，而且一般来讲，需要处理的沼液在本实用新型所采用的工艺下，沼气内燃机烟气除去供发酵液增温后是能保证汽提精馏塔底加热所需的热量的。第二条路线采用微正压精馏方式，汽提精馏采用常压微正压方式，这种方式能耗低，但是得到的汽提产物是30%左右的稀氨水，相同规模的氨氮去除量下稀氨水的产量量是本实用新型液氨产量的三倍以上，体积4倍左右，现场需要建设稀氨水储罐，而且稀氨水对外出售也不如高纯液氨，综合经济效益低于本实用新型所采用的工艺方案。
(4)本实用新型的系统相对于膜分离方法除氨氮，本实用新型也具有运行成本优势。