水污染控制工程 第12章 吹脫與汽提

第十二章 吹脫與汽提法吹脫和汽提均屬于污染物由液相向氣相轉(zhuǎn)移的分離方法，該種單元操作實(shí)際上是吸收操作的逆過(guò)程（解吸）。主要用于脫除廢水中濃度較高、沸點(diǎn)較低、冷凝后又易與氣相介質(zhì)分離的污染物。習(xí)慣上，將空氣（或CO2、N2）作為載氣來(lái)推動(dòng)廢水中污染物向氣相轉(zhuǎn)移的過(guò)程，稱為吹脫。若采用水蒸汽作為載氣，則稱為汽提。9-1 吹脫一、吹脫原理吹脫法的基本原理是氣-液相平衡和傳質(zhì)速度理論。根據(jù)亨利定律，在氣液兩相系統(tǒng)中，溶質(zhì)氣體在氣相中的分壓與該氣體在液相中的濃度成正比，且在某種穩(wěn)定的條件下形成氣-液相平衡。當(dāng)將一定量空氣通入廢水中時(shí)，改變了因溶質(zhì)氣體溶解于水中所建立的氣液平衡關(guān)系，實(shí)質(zhì)上降低了揮發(fā)性溶質(zhì)組分的氣相分壓，從而使這些揮發(fā)性溶質(zhì)不斷地由液相轉(zhuǎn)至氣相，然后予以收集或者擴(kuò)散到大氣中去，從而得以從污水中除去這些揮發(fā)性污染物質(zhì)。吹脫過(guò)程屬于傳質(zhì)過(guò)程，其推動(dòng)力為廢水中某揮發(fā)組分的濃度與平衡狀態(tài)下該組分的氣相分壓對(duì)應(yīng)的液相濃度之差。吹脫過(guò)程的傳質(zhì)速度取決于這一差值。對(duì)于給定物系而言，溫度和氣-液接觸面積對(duì)傳質(zhì)速度影響較大?？赏ㄟ^(guò)提高水溫、使用新鮮空氣或負(fù)壓操作、增大氣-液接觸面積和延長(zhǎng)接觸時(shí)間等手段來(lái)增大傳質(zhì)速度。在吹脫過(guò)程中，若使用空氣作為載氣，則除吹脫作用外，還存在還原性物質(zhì)的氧化作用（如H2SS），但若使用N2、CO2 等惰性氣體，則不存在氧化過(guò)程。二、吹脫設(shè)備和裝置吹脫設(shè)備一般有吹脫池和吹脫塔（內(nèi)裝填料或篩板）。前者占地面積較大，易造成大氣污染。后者占地面積小，吹脫效率高，便于回收氣體，不污染大氣。因此，工程上常采用吹脫塔對(duì)廢水進(jìn)行吹脫處理。1 吹脫池吹脫池一般為矩形水池，廢水在池內(nèi)流動(dòng)，與空氣充分接觸，廢水中的揮發(fā)性污染物便可不斷地向空氣中轉(zhuǎn)移。包括自然吹脫池和強(qiáng)化吹脫池兩種。（1）自然吹脫池 依靠池內(nèi)表層液體與空氣進(jìn)行自然接觸而脫除水中揮發(fā)性污染物的吹脫池稱為自然吹脫池，它適用于水中污染物極易揮發(fā)、水溫較高、風(fēng)速較大、地段開(kāi)闊且不至于污染居民區(qū)和工作區(qū)的場(chǎng)合。一般此類吹脫池也兼作儲(chǔ)水池，其吹脫效果可按下式計(jì)算： （12-1） 式中，C0、C分別為水中揮發(fā)性污染物的初始濃度和經(jīng)過(guò)吹脫時(shí)間t (min)后的殘余濃度，mg/L；D擴(kuò)散系數(shù)；H水層深度，mm；由式9-1可知，要獲得較高的吹脫效率（較低的C），除延長(zhǎng)吹脫(貯留)時(shí)間外，減小水層深度或增大池子表面積都是有效的措施。（2）強(qiáng)化吹脫池通常向池內(nèi)鼓入空氣或在池面以上安裝噴水管，以強(qiáng)化吹脫過(guò)程。強(qiáng)化吹脫池的吹脫效果可由下式算出： （12-2）式中，C0、C分別為水中揮發(fā)性污染物的初始濃度和經(jīng)過(guò)吹脫時(shí)間t (min)后的殘余濃度，g/L；為吹脫系數(shù)，可查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)； A 氣液接觸面積(m2)； V 廢水體積(m3)。若采用在池面以上安裝噴水管強(qiáng)化吹脫的辦法，則噴水池的噴頭安裝高度應(yīng)位于水面以上1.21.5m處。當(dāng)池子較小時(shí)，可建在建筑物頂上，此時(shí)的噴水高度可達(dá)2-3m。為防止風(fēng)吹造成損失，可在四周設(shè)置擋水板。噴水強(qiáng)度采用12m3/m2h即可。2 吹脫塔吹脫塔的形式有填料塔、篩板塔等。（1）填料塔填料塔的結(jié)構(gòu)特征是在塔內(nèi)設(shè)置一定高度的填料層，廢水從塔頂向下噴淋，沿填料表面呈薄膜狀向塔底流動(dòng)?？諝鈩t從塔底鼓入，由下而上與廢水連續(xù)逆流接觸。廢水經(jīng)吹脫處理后從塔底經(jīng)水封管排出，自塔頂排出的氣體可進(jìn)行回收或進(jìn)一步處理，如圖12-1所示。 圖12-1 填料吹脫塔 填料塔常用的填料有紙質(zhì)蜂窩、木格板、拉希環(huán)（材質(zhì)有瓷、硬PVC、聚丙烯等）。另外，還可使用聚丙烯鮑爾環(huán)、聚丙烯多面空心球等。常用填料的技術(shù)特性見(jiàn)表12-1。表9-1 常用填料技術(shù)特性填料名稱規(guī)格（mm）填料個(gè)數(shù)（個(gè)/m3）空隙率比表面積（m2/m3）水力半徑R=/S （mm）當(dāng)量直徑d=4R（mm）密度（kg/m3）拉希環(huán)(瓷)拉希環(huán)(瓷) 鮑爾環(huán)鮑爾環(huán)鮑爾環(huán)多面空心球多面空心球2525325252.5253850255052300(排列)49000(排列)5350085000115000.740.780.880.870.900.840.90204190194155106.44602363.634.114.535.618.461.833.8114.5216.4218.1222.4533.837.3215.255321019887.5145105 填料塔的主要計(jì)算公式為傳質(zhì)速率公式。一般吹脫的氣體量G和傳質(zhì)平均推動(dòng)力C為已知條件，所需填料表面積F可按下式計(jì)算： （12-3）式中，G單位時(shí)間內(nèi)從水中吹脫的氣體量，G = Q（C0-C）10-3, kg/h； C0、C分別為原水和出水中的揮發(fā)性污染物濃度，mg/L； Q處理污水量，m3/h；C原水濃度C0與出水濃度C的對(duì)數(shù)濃度差，可按下式計(jì)算：K吹脫系數(shù)，m/h，與揮發(fā)性污染物的性質(zhì)、溫度等因素有關(guān)?？赏ㄟ^(guò)查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算。填料塔的缺點(diǎn)是塔體大，傳質(zhì)效率不如篩板塔，處理含高濃度懸浮物的廢水易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。（2）篩板塔 篩板塔通常由一個(gè)呈圓柱形的殼體和按一定間距水平設(shè)置的若干塊篩孔板所組成。廢水水平流過(guò)篩板，經(jīng)降液管流入下一層塔板?？諝庖怨呐莼驀娚浞绞酱┻^(guò)篩板上水層，因相互接觸傳質(zhì)而達(dá)到分離目的。篩板塔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本低，傳質(zhì)效率高，塔體比填料塔小，堵塞可能性也小。其中穿流式篩板塔在泡沫狀態(tài)下工作，也稱泡沫塔，見(jiàn)圖9-2。圖12-2 穿流式篩板塔篩板上篩孔孔徑一般為68mm，篩板間距通常為200300mm。水從上向下噴淋，穿過(guò)篩孔往下流動(dòng)，空氣則穿過(guò)篩孔由下向上流動(dòng)。當(dāng)氣流的空塔速度（指空塔的橫斷面面積除空氣流量）達(dá)到1.52.5m/s時(shí)，篩板上面的部分液體就被氣流吹成泡沫狀態(tài)，使氣液接觸面積顯著增加，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程。適宜的氣流空塔速度是保證穿流式篩板塔正常運(yùn)行的關(guān)鍵。速度小不形成泡沫，速度過(guò)大（例如超過(guò)3m/s）則造成液泛。氣體穿過(guò)篩孔的流速以控制在7 l 3m/s為宜，這樣使泡沫層高度和廢水穿過(guò)篩孔的泄漏率都比較合適。水在塔內(nèi)的噴淋密度可以控制在0.2100m3/m2h范圍內(nèi)。篩板數(shù)目的計(jì)算很復(fù)雜，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定。 三、影響因素在吹脫過(guò)程中，影響吹脫的因素較多，主要有以下幾點(diǎn)： （1）溫度。當(dāng)壓力一定時(shí)，氣體在水中的溶解度隨溫度升高而降低，故適當(dāng)升溫有利于吹脫的進(jìn)行。 （2）氣液比?？諝饬窟^(guò)小，氣液兩相接觸不夠；空氣量過(guò)大，既會(huì)造成液泛，破壞操作，又增加動(dòng)力消耗。在工程設(shè)計(jì)中，通常按液泛時(shí)的極限氣液比的80取值。（3）pH。pH條件不同，廢水中揮發(fā)性物質(zhì)的存在狀態(tài)可能不同。例如廢水中游離H2S和HCN在硫化物和氰化物中的百分含量與pH值的關(guān)系見(jiàn)表12-2。表9-2 不同pH條件下游離H2S和HCN的含量pH值5678910游離H2S（%）10095641520游離HCN（%）99.799.393.359.112.2只有游離H2S和HCN才能被吹脫，因此要在適宜的酸性條件下進(jìn)行曝氣。（4）油類及表面活性物質(zhì)。廢水中油類及表面活性物質(zhì)會(huì)阻礙揮發(fā)性污染物由液相向氣相擴(kuò)散，而且油類可能阻塞填料，影響吹脫效果，故應(yīng)在預(yù)處理中將油及表面活性物質(zhì)除去。12-2 汽提汽提的基本原理與吹脫法相同，只是使用的介質(zhì)不是空氣而是水蒸汽。該法主要利用廢水中污染物的沸點(diǎn)與水的沸點(diǎn)的差異，通過(guò)廢水與水蒸汽的直接接觸，廢水中的揮發(fā)性污染物則按一定比例擴(kuò)散至氣相中去，從而實(shí)現(xiàn)污染物與水的分離。汽提法特別適用于脫除廢水中的揮發(fā)性溶解物質(zhì)，如揮發(fā)酚、丙烯腈、苯胺、甲醛、硫化氫、氨等。一、基本原理汽提過(guò)程屬于傳質(zhì)過(guò)程，當(dāng)蒸汽與廢水接觸時(shí)，揮發(fā)性污染物將由液相轉(zhuǎn)入到氣相。通常認(rèn)為污染物在氣相中的濃度與污染物在廢水中的濃度的比值為一常數(shù)，遵循分配定律。即： （12-4）式中： C1平衡時(shí)，揮發(fā)性污染物在蒸汽冷凝液中的濃度，g/L；C2平衡時(shí)，揮發(fā)性污染物在廢水中的濃度，g/L；K分配系數(shù)，隨揮發(fā)性物質(zhì)的性質(zhì)和濃度而異。由上式可見(jiàn)，當(dāng)K1時(shí)，說(shuō)明揮發(fā)性污染物比水易于揮發(fā)，表示廢水中的污染物適于采用汽提法分離。當(dāng)K1時(shí)，說(shuō)明揮發(fā)性污染物比水難于揮發(fā)，不適于用汽提法分離?？傊琄值越大，揮發(fā)性越強(qiáng)，越適宜采用汽提法。對(duì)于0.010.1N的低濃度溶液，分配系數(shù)可視為定值。某些溶質(zhì)的K值見(jiàn)表12-3。表12-3 某些溶質(zhì)的K值揮發(fā)酚苯胺游離氨甲基苯胺氨基甲烷氨基乙烷二乙基氨氨苯甲基25.513191120458.3汽提過(guò)程不僅是污染物在氣液兩相間轉(zhuǎn)移的過(guò)程，也是蒸汽的消耗過(guò)程。單位體積廢水所需的蒸汽量稱為汽水比，用V0表示。若在廢水進(jìn)口處氣液兩相傳質(zhì)達(dá)平衡狀態(tài)，則可得： (12-5)式中，Q為廢水量（m3）；C0、C為進(jìn)出水中污染物濃度；V為冷凝液體積；則： （12-6）在實(shí)際生產(chǎn)中，汽提都是在不平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，同時(shí)存在熱損失，故通常情況下，實(shí)際蒸汽用量是理論量的22.5倍。 二、汽提設(shè)備和裝置汽提通常在封閉的塔內(nèi)進(jìn)行。常用的汽提塔有填料塔和板式塔。板式塔除篩板塔外，還包括泡罩塔和浮閥塔，填料塔和篩板塔前面已作過(guò)介紹，泡罩塔和浮閥塔的工作原理與篩板塔大致相同。其構(gòu)造分別見(jiàn)圖12-3和圖12-4。1塔板；2泡罩；3蒸汽通道；4降液管圖12-3 泡罩塔的構(gòu)造示意圖1塔板；2浮閥；3降液管；4塔體圖12-4 浮閥塔的構(gòu)造示意圖泡罩塔的特點(diǎn)是操作穩(wěn)定、彈性大、塔板效率高、能避免臟污和阻塞；缺點(diǎn)是氣流阻力大、板面液流落差大、布?xì)獠痪鶆颉⑴菡纸Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高等。浮閥塔是一種高效傳質(zhì)設(shè)備，由于生產(chǎn)能力高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、塔板效率高、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。 三、汽提法的應(yīng)用汽提法的最早應(yīng)用實(shí)例是從含酚污水中回收揮發(fā)酚，其流程見(jiàn)圖12-5。圖12-5汽提法脫酚裝置圖12-5所示的是填料汽提塔，分為汽提段和再生段。汽提段用于脫酚，再生段則用于堿洗。廢水首先在預(yù)熱器中加熱至100后送入塔內(nèi)，從汽提塔頂噴淋下來(lái)，在汽提段與上升的循環(huán)蒸汽逆流相遇，在填料層中進(jìn)行傳質(zhì)。經(jīng)汽提后，酚和蒸汽一起從塔頂排出，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)送到再生段回收酚。脫酚蒸汽重新進(jìn)入汽提段循環(huán)使用，而新鮮蒸汽用來(lái)補(bǔ)充設(shè)備的熱損失。當(dāng)含酚蒸汽由再生段的底部打入時(shí)，先與淋下的循環(huán)堿液逆流相遇，之后與再生段流下的補(bǔ)充堿液相遇，經(jīng)化學(xué)吸收反應(yīng)生成酚鈉鹽，可加以回收。此法操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)合理，不引起二次污染，對(duì)高濃度含酚廢水的處理具有優(yōu)越性。 除含酚廢水外，含硫、氨以及含丙烯腈廢水等都可采用汽提法處理。有關(guān)實(shí)例在此不再贅述。143