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PO43-保持在一个相对较低的水平。经过正交优化，在保证NH4+-N去除率的前提下，降低残余PO43--P浓度，得到该工艺的处理煤气化废水的最佳反应条件为pH9.5，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￥/m3（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。

目录

磷酸铵镁结晶法去除和回收煤气化废水中的氨氮

REMOVAL AND RECOVERY OF AMMONIA NITROGEN FROM COAL GASIFICATION WASTEWATER WITH MAGNESIUM AMMONIUM PHOSPHATE CRYSTALLIZATION

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 高浓度氨氮废水处理方法

1.2.1 折点氯化法

1.2.2 选择性离子交换化法

1.2.3 空气吹脱法与汽提法

1.2.4 生物法

1.2.5 化学沉淀法

1.3 MAP结晶工艺原理及研究现状

1.3.1 MAP主要理化性质

1.3.2 反应影响参数研究现状

1.3.3 廉价沉淀剂的研究

1.3.4 MAP工艺应用现状

1.4 MAP结晶反应器研究及运用

1.4.1 搅拌式反应器

1.4.2 气动流化床反应器

1.4.3 水力流化床反应器

1.4.4 双池反应器

1.4.5 内循环接种反应器

1.5 论文研究目的和意义及主要研究内容

1.5.1 论文研究目的和意义

1.5.2 研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 MAP处理煤气化氨氮废水小试实验

2.1.1 煤气化废水水质

2.1.2 实验方法

2.2 MAP反应器结构优化

2.2.1 反应装置

2.2.2 基于FLUENT模拟的MAP结晶反应器优化

2.3 MAP反应器处理煤气化废水中试实验

2.3.1 实验设备和实验用水

2.3.2 实验内容和方法

2.4 分析方法

第3章 MAP结晶法处理煤气化高氨氮废水小试实验

3.1 苯酚对于MAP处理效果的影响

3.1.1 苯酚对于出水氨氮和磷浓度的影响

3.1.2 沉淀速度的影响

3.2 MAP法处理煤气化高浓度氨氮废水单因素实验

3.2.1 反应pH

3.2.2 反应时间

3.2.3 沉淀时间

3.2.4 P/N摩尔比

3.2.5 Mg/N摩尔比

3.3 MAP法处理煤气化高浓度氨氮废水正交实验

3.4 本章小结

第4章 基于FLUENT模拟的MAP结晶反应器优化

4.1 搅拌桨叶优化

4.1.1 速度场比较

4.1.2 湍流能比较

4.2 消能板优化

4.2.1 消能板速度场、轨迹线比较

4.2.2 消能板出口边界矢量速度值比较

4.3 储泥量优化

4.4 本章小结

第5章 MAP结晶反应器处理煤气化废水中试实验

5.1 现场中试反应器运行特性研究

5.1.1 进水氨氮浓度影响

5.1.2 总水力停留时间影响

5.1.3 P/N摩尔比的影响

5.1.4 Mg/N摩尔比的影响

5.2 产物分析

5.2.1 产物化学成分分析

5.2.2 沉淀物形态分析

5.3 经济效益分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢