磷酸铵镁结晶法去除和回收煤气化废水中的氨氮

【摘要】： 煤气化废水中含有大量氨氮和酚类等物质,由于浓度和毒性高,无法直接生化处理。如果大量氨氮进入自然水体会引起水体的富营养化,对环境产生极大的危害。同时氮也是宝贵的工农业资源,有必要回收利用。在研究煤气化废水特点的基础上,选择磷酸铵镁(Magnesium Ammonium Phosphate, MAP)结晶法处理煤气化废水中的氨氮,达到回收资源,保护环境的目的。利用实际煤气化废水进行了小试实验,研究MAP最佳反应参数。同时运用FLUENT计算流体力学模拟软件,模拟并优化了MAP反应器的结构。在此基础上,对于新型MAP结晶反应器进行现场中试实验,确定其最佳运行参数。 结果表明,煤气化废水中的高浓度酚类不会影响MAP反应的进行。对MAP结晶法处理煤气化废水中的氨氮进行小试实验时,P/N和Mg/N摩尔比是最重要的反应参数。当P/N、Mg/N摩尔分别比为1.1和1.2时,氨氮的去除率可达到98%,同时残余PO_4~(3-)保持在一个相对较低的水平。经过正交优化,在保证NH_4~+-N去除率的前提下,降低残余PO_4~(3-)-P浓度,得到该工艺的处理煤气化废水的最佳反应条件为pH 9.5,反应时间9.1min,搅拌转速120rpm,沉淀时间1.5h,P/N摩尔比为1.0,Mg/N摩尔比为1.2~1.3。 基于小试实验的结果,设计了新型MAP结晶反应器,并利用FLENUT计算流体力学软件对其结构进行模拟优化和放大。通过对不同搅拌桨产生的速度场和湍流能的比较,表明长形搅拌桨产生的流场速度值和湍流能均最大且分布均匀。消能板模拟中研究发现,增加消能板后出口处速度显著减小。5种不同结构的消能板中,特别消能板消能效果最好,消能效果达到95%。在储泥量优化实验中发现,储泥量的变化对于出水速度基本没有影响,因此可以按照设计量满负荷承载MAP晶体,减少排泥次数。 根据小试实验和反应器的研究,运用新型MAP中试结晶反应器在现场展开连续流实验。实验表明MAP中试结晶反应器可有效的去除煤气化废水中的氨氮,去除率保持在90%以上,并且出水磷浓度保持在非常低的范围,不会造成二次污染。MAP中试结晶反应器最佳运行参数为:进水氨氮浓度2000mg/L左右,pH为8.5~9.5,THRT为1.71h,搅拌转速120rpm,P/N摩尔比0.9~1.0,Mg/N摩尔比1.2左右,排泥间隔4h。在最佳运行参数下,反应器日处理能力为5.5t/d,达到设计要求。 对中试实验的产物做化学成分分析发现,沉淀物MAP纯度基本不随反应条件的变化而变化,保持在85%左右。并且通过显微照片可以发现,沉淀物中绝大多数都是正菱形晶体即MAP晶体。 通过简单的经济分析,发现在最佳运行参数条件下,处理成本为盈余0.52￥/m~3(不考虑设施投资、电能和人工费等)盈余的这部分钱可以部分抵消设施投资、电能和人工费等,将处理成本控制在一个可以接受的范围。这为MAP结晶法的工业运用提供了良好的先决条件。 MAP结晶法处理煤气化高浓度氨氮废水,具有操作简单、处理效果好的特点。因此在中试实验研究成果基础上,可以进一步推动MAP技术实际生产运用,为煤气化废水处理提供了新的解决方法。同时研究成果也可运用到其他类型的高浓度氮/磷废水。 【关键词】：煤气化废水 磷酸铵镁 MAP反应器 FLUENT
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 高浓度氨氮废水处理方法11-13
• 1.2.1 折点氯化法11
• 1.2.2 选择性离子交换化法11-12
• 1.2.3 空气吹脱法与汽提法12
• 1.2.4 生物法12
• 1.2.5 化学沉淀法12-13
• 1.3 MAP结晶工艺原理及研究现状13-18
• 1.3.1 MAP主要理化性质13-15
• 1.3.2 反应影响参数研究现状15-17
• 1.3.3 廉价沉淀剂的研究17-18
• 1.3.4 MAP工艺应用现状18
• 1.4 MAP结晶反应器研究及运用18-23
• 1.4.1 搅拌式反应器18-19
• 1.4.2 气动流化床反应器19-20
• 1.4.3 水力流化床反应器20-21
• 1.4.4 双池反应器21-22
• 1.4.5 内循环接种反应器22-23
• 1.5 论文研究目的和意义及主要研究内容23-25
• 1.5.1 论文研究目的和意义23-24
• 1.5.2 研究内容24-25
• 第2章 实验材料与方法25-35
• 2.1 MAP处理煤气化氨氮废水小试实验25-27
• 2.1.1 煤气化废水水质25
• 2.1.2 实验方法25-27
• 2.2 MAP反应器结构优化27-32
• 2.2.1 反应装置27-28
• 2.2.2 基于FLUENT模拟的MAP结晶反应器优化28-32
• 2.3 MAP反应器处理煤气化废水中试实验32-34
• 2.3.1 实验设备和实验用水32-33
• 2.3.2 实验内容和方法33-34
• 2.4 分析方法34-35
• 第3章 MAP结晶法处理煤气化高氨氮废水小试实验35-43
• 3.1 苯酚对于MAP处理效果的影响35-37
• 3.1.1 苯酚对于出水氨氮和磷浓度的影响35-36
• 3.1.2 沉淀速度的影响36-37
• 3.2 MAP法处理煤气化高浓度氨氮废水单因素实验37-41
• 3.2.1 反应pH37
• 3.2.2 反应时间37-38
• 3.2.3 沉淀时间38-39
• 3.2.4 P/N摩尔比39-40
• 3.2.5 Mg/N摩尔比40-41
• 3.3 MAP法处理煤气化高浓度氨氮废水正交实验41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 基于FLUENT模拟的MAP结晶反应器优化43-52
• 4.1 搅拌桨叶优化43-45
• 4.1.1 速度场比较43-44
• 4.1.2 湍流能比较44-45
• 4.2 消能板优化45-50
• 4.2.1 消能板速度场、轨迹线比较45-48
• 4.2.2 消能板出口边界矢量速度值比较48-50
• 4.3 储泥量优化50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 MAP结晶反应器处理煤气化废水中试实验52-61
• 5.1 现场中试反应器运行特性研究52-56
• 5.1.1 进水氨氮浓度影响52-53
• 5.1.2 总水力停留时间影响53-54
• 5.1.3 P/N摩尔比的影响54-55
• 5.1.4 Mg/N摩尔比的影响55-56
• 5.2 产物分析56-58
• 5.2.1 产物化学成分分析56-57
• 5.2.2 沉淀物形态分析57-58
• 5.3 经济效益分析58-59
• 5.4 本章小结59-61
• 结论61-63
• 参考文献63-69
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果69-71
• 致谢71

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