Отдувка (стриппинг)

Десорбция (desorption — процесс, обратный абсорбции) — переход растворённого вещества из жидкой фазы в газовую. Движущая сила процесса — разность между равновесной концентрацией вещества в газовой фазе и фактической концентрацией в продуваемом газе. Закон Генри связывает концентрацию газа в жидкости с его парциальным давлением: p = H × C, где p — парциальное давление (Па), H — константа Генри (Па·м³/моль), C — концентрация в жидкости (моль/м³).

Безразмерный коэффициент Генри H' = Cгаз/Cжидк определяет отношение равновесных концентраций. Для бензола H' = 0.22 при 20°C, для трихлорэтилена H' = 0.39, для аммиака H' = 0.0006. Чем выше коэффициент, тем легче вещество переходит в газовую фазу. При H' > 0.05 отдувка эффективна, при H' < 0.01 требуется нагрев воды или подщелачивание для перевода вещества в летучую форму.

Температура критически влияет на летучесть. Повышение температуры на 10°C увеличивает константу Генри в 1.5–2 раза. При 60°C коэффициент Генри для аммиака возрастает до 0.003, что делает паровую отдувку эффективной даже при умеренном pH 9–10.

Отдувка удаляет широкий спектр летучих загрязнителей из воды. VOC (Volatile Organic Compounds — летучие органические соединения) включают бензол, толуол, этилбензол, ксилолы (группа BTEX), трихлорэтилен (TCE), перхлорэтилен (PCE), винилхлорид, метилтретбутиловый эфир (MTBE). Эти соединения типичны для загрязнённых грунтовых вод вблизи АЗС, нефтебаз, химических производств. Концентрации достигают 1–50 мг/л, требуемое очищение до 0.001–0.01 мг/л.

Хлорированные растворители — основная группа загрязнителей грунтовых вод в промышленных зонах. TCE применялся для обезжиривания металлов, PCE — в химчистках. Коэффициенты Генри 0.3–0.5 обеспечивают эффективную отдувку до 99.9%.

Аммиак требует особых условий: при pH < 9 существует как ион NH₄⁺ с нулевой летучестью. При pH > 11 более 99% аммиака переходит в молекулярную форму NH₃ с коэффициентом Генри 0.0006–0.001. Типичные источники: стоки мясоперерабатывающих заводов (500–2000 мг/л N-NH₄), производство удобрений, фильтрат полигонов (1000–5000 мг/л).

Сероводород H₂S легко отдувается при pH < 7, когда существует в молекулярной форме (H' = 0.4). Радон Rn — радиоактивный газ в грунтовых водах с H' = 4.0, удаляется на 95% при соотношении воздух/вода 10:1.

Насадочная колонна (packed tower — башня с насадкой) — основной тип оборудования для воздушной отдувки. Конструкция: вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 0.5–4 м, высотой насадочного слоя 3–12 м. Вода подаётся сверху через распределитель, воздух — снизу через опорную решётку. Противоточное движение фаз обеспечивает максимальную движущую силу массопереноса.

Насадка увеличивает поверхность контакта фаз. Кольца Рашига (Raschig rings — полые цилиндры) имеют удельную поверхность 100–200 м²/м³. Кольца Палля (Pall rings — цилиндры с прорезями и загнутыми лепестками) дают 150–250 м²/м³ при меньшем гидравлическом сопротивлении. Структурированная насадка (Mellapak, Sulzer) обеспечивает 250–500 м²/м³ с минимальными потерями напора 100–300 Па/м.

Соотношение воздух/вода определяется требуемой степенью удаления и летучестью. Для BTEX достаточно 20–50:1 по объёму, для TCE — 30–70:1, для аммиака — 3000–5000:1. Типичная скорость воздуха 0.5–1.5 м/с, нагрузка по воде 10–50 м³/(м²·ч). Гидравлическое сопротивление колонны 500–2000 Па на метр насадки.

Число теоретических тарелок (NTU — Number of Transfer Units, число единиц переноса) определяет высоту насадки. Для удаления 90% требуется NTU = 2.3, для 99% — NTU = 4.6, для 99.9% — NTU = 6.9. Высота единицы переноса (HTU) для типичных насадок составляет 0.3–0.8 м. Общая высота насадки H = NTU × HTU.

Тарельчатая колонна (tray column — колонна с тарелками) применяется для отдувки аммиака и сероводорода при высоких концентрациях. Конструкция: горизонтальные тарелки с отверстиями или клапанами, переливные устройства для перетока жидкости. Вода стекает сверху вниз по тарелкам, газ барботирует через слой жидкости снизу вверх.

Типы тарелок: ситчатые (sieve trays — перфорированные пластины) с отверстиями 3–12 мм и свободным сечением 5–15%, клапанные (valve trays) с подвижными клапанами для регулирования расхода газа, колпачковые (bubble-cap trays) с переливными колпачками. Ситчатые тарелки дешевле, но чувствительны к загрязнениям. Клапанные обеспечивают стабильную работу в широком диапазоне нагрузок.

Эффективность одной тарелки 50–70%, то есть для достижения эффекта одной теоретической ступени требуется 1.5–2 реальных тарелки. Расстояние между тарелками 400–600 мм. Для удаления 95% аммиака при pH 11 требуется 8–12 теоретических ступеней или 12–20 реальных тарелок.

Преимущества тарельчатых колонн: устойчивость к отложениям и обрастанию, возможность визуального контроля работы каждой тарелки, простота обслуживания. Недостатки: высокое гидравлическое сопротивление (500–1000 Па на тарелку), большие габариты, высокий CAPEX.

Паровая отдувка (steam stripping — отгонка паром) — процесс удаления аммиака из сточных вод с использованием острого пара как десорбирующего агента. Применяется для концентрированных стоков: 500–5000 мг/л N-NH₄ в мясопереработке, 1000–10000 мг/л в производстве удобрений, 2000–8000 мг/л в фильтрате полигонов.

Температура 80–100°C увеличивает константу Генри аммиака в 5–10 раз по сравнению с 20°C. Это позволяет работать при pH 10–11 вместо pH > 11.5 для холодной отдувки. Расход щёлочи снижается на 30–50%. Расход пара: 30–80 кг на 1 кг удалённого азота в зависимости от концентрации и требуемой степени очистки.

Типичная схема: подогрев исходной воды до 95°C в теплообменнике (рекуперация с очищенной водой), дозирование NaOH до pH 10.5–11, паровая отдувка в насадочной или тарельчатой колонне, конденсация отходящих паров с получением 5–15% раствора аммиака (аммиачной воды).

Станция паровой отдувки производительностью 50 м³/ч на мясокомбинате: входная концентрация 1500 мг/л N-NH₄, выход < 50 мг/л (эффективность 97%), расход пара 4 т/ч, расход NaOH 50% — 150 л/ч, выход аммиачной воды 25% — 400 л/ч. CAPEX 2.5 млн €, OPEX 3–5 €/м³ (пар 2 €, щёлочь 1.5 €, электричество 0.5 €).

Сероводород H₂S образуется при анаэробном разложении органики в сточных водах, присутствует в геотермальных водах, стоках нефтепереработки, производства вискозы. Концентрации: 10–100 мг/л в городских стоках (канализационные сети), 100–1000 мг/л в нефтехимических стоках, до 500 мг/л в геотермальных водах.

Химия сероводорода определяется диссоциацией: H₂S ⇌ HS⁻ + H⁺ (pKa1 = 7.0) ⇌ S²⁻ + H⁺ (pKa2 = 14). При pH < 6 более 90% серы существует как молекулярный H₂S с высокой летучестью (H' = 0.4). При pH 7 — 50% H₂S и 50% HS⁻. При pH > 9 практически весь сероводород ионизирован и не удаляется отдувкой.

Для эффективной отдувки требуется подкисление до pH 5–6 серной или соляной кислотой. Расход кислоты зависит от щёлочности воды. При карбонатной жёсткости 200 мг/л CaCO₃ требуется 250–300 мг/л H₂SO₄ для снижения pH до 6.

Соотношение воздух/вода для отдувки H₂S: 10–30:1 при начальной концентрации 10–50 мг/л, 30–50:1 при 50–200 мг/л. Степень удаления 95–99% достигается за один проход через насадочную колонну. Отходящий воздух содержит H₂S в концентрации 50–500 ppm и требует очистки из-за токсичности (ПДК 10 ppm) и неприятного запаха (порог обнаружения 0.01 ppm).

VOC (Volatile Organic Compounds — летучие органические соединения) — группа органических веществ с давлением насыщенных паров выше 10 Па при 20°C. В водоподготовке наибольшее значение имеют BTEX (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы) и хлорированные растворители (TCE, PCE, винилхлорид, дихлорметан).

Коэффициенты Генри для типичных VOC при 20°C: бензол — 0.22, толуол — 0.27, этилбензол — 0.32, o-ксилол — 0.20, TCE — 0.39, PCE — 0.72, винилхлорид — 1.1, дихлорметан — 0.09. Высокие значения H' для хлорированных растворителей объясняют их эффективное удаление отдувкой.

Проектирование системы отдувки VOC: соотношение воздух/вода (A/W) рассчитывается как A/W = (1/H') × (Cin/Cout - 1) × F, где F — фактор безопасности 1.5–2.0. Для удаления бензола с 50 мкг/л до 1 мкг/л: A/W = (1/0.22) × (50-1) × 1.5 = 330:1.

Реальные установки работают при меньших соотношениях за счёт многоступенчатой отдувки или увеличения высоты насадки. Станция очистки грунтовых вод в Вупертале (Германия): производительность 200 м³/ч, загрязнение TCE 500 мкг/л + PCE 200 мкг/л, насадочная колонна диаметром 3 м, высота насадки 10 м, A/W = 80:1, остаточные концентрации < 1 мкг/л.

Проектирование колонны отдувки включает расчёт массопереноса, гидравлики и механической прочности. Исходные данные: расход воды Q (м³/ч), входная концентрация Cin и требуемая выходная Cout, температура воды, коэффициент Генри H' целевого загрязнителя.

Число единиц переноса NTU рассчитывается по формуле: NTU = ln[(Cin/Cout) × (S-1)/S + 1/S] / ln(S), где S = (A/W) × H' — стриппинг-фактор (stripping factor — фактор отдувки). При S > 3 NTU ≈ ln(Cin/Cout). Оптимальное значение S = 3–5 обеспечивает экономичный баланс между высотой колонны и расходом воздуха.

Высота единицы переноса HTU зависит от типа насадки и гидравлических нагрузок. Эмпирические корреляции: HTU = a × (L/G)^b, где L — нагрузка по жидкости (кг/м²·с), G — нагрузка по газу (кг/м²·с), a и b — константы насадки. Для колец Палля 50 мм: a = 0.3, b = 0.3, типичные HTU = 0.4–0.6 м.

Диаметр колонны определяется из условия отсутствия захлёбывания при заданном соотношении A/W. Скорость газа на захлёбывание Uзах рассчитывается по диаграммам Экерта или Шервуда. Рабочая скорость Uраб = 0.5–0.7 × Uзах. Площадь сечения A = Qвоздух / Uраб. Потери напора в насадке 200–500 Па/м при нормальной работе.

Отходящий воздух после отдувки содержит загрязнители в концентрациях 10–1000 мг/м³ и требует очистки перед выбросом в атмосферу. Метод очистки зависит от природы загрязнителя, концентрации и объёма газового потока.

Адсорбция на активированном угле — универсальный метод для VOC при концентрациях 10–500 мг/м³. Адсорбционная ёмкость угля 5–15% по массе для типичных растворителей. Скорость фильтрации 0.2–0.5 м/с, время контакта 1–3 с. Периодическая регенерация паром или термическая при 200–300°C. Стоимость угля 2–4 €/кг, OPEX очистки 0.5–2 €/1000 м³ воздуха.

Термическое окисление применяется для высоких концентраций VOC > 1000 мг/м³. Температура камеры сгорания 750–850°C, время пребывания 0.5–1 с. Регенеративные термические окислители (RTO — Regenerative Thermal Oxidizer) имеют КПД рекуперации тепла 95%, при концентрации VOC > 2 г/м³ работают автотермически.

Скрубберы для кислых и щелочных газов. Сероводород абсорбируется щелочным раствором NaOH (pH 10–12) с образованием Na₂S или окисляется в скруббере с NaOCl. Аммиак улавливается кислотным скруббером (H₂SO₄, pH 2–4) с получением сульфата аммония — товарного удобрения. Расход кислоты: 3.5 кг H₂SO₄ на 1 кг NH₃.

Помимо традиционных колонн существуют компактные системы отдувки для малых расходов и специфических применений. Аэраторы с диффузорами (diffused air systems — системы диффузионной аэрации) подают воздух через мелкопористые мембраны на дно резервуара. Пузырьки диаметром 1–3 мм создают поверхность контакта 500–1500 м²/м³ воздуха.

Каскадные аэраторы (cascade aerators — ступенчатые аэраторы) используют естественный контакт воды с воздухом при переливе через ступени. Применяются для удаления CO₂, радона, летучих сульфидов из подземных вод. Высота каскада 2–4 м, число ступеней 4–8, эффективность удаления CO₂ 60–80%, радона 70–90%.

Распылительные аэраторы (spray aerators — распылительные устройства) создают мелкие капли воды диаметром 0.5–2 мм, падающие через слой воздуха. Применяются для дегазации подземных вод от CO₂ и H₂S. Высота падения 2–3 м, расход воздуха 5–15 м³ на м³ воды.

Мембранные контакторы — современная альтернатива колоннам для малых производительностей. Вода и воздух разделены гидрофобной полой мембраной, газообмен происходит через поры. Компактность: удельная площадь мембраны 1000–3000 м²/м³ модуля. Применение: дегазация ультрачистой воды в электронике, удаление O₂ до < 1 ppb.

Основные эксплуатационные проблемы систем отдувки связаны с биообрастанием, отложениями солей и климатическими условиями. Биообрастание (biofouling — обрастание микроорганизмами) развивается при наличии органики и питательных веществ в воде. Биоплёнка снижает эффективную поверхность насадки и увеличивает гидравлическое сопротивление. Профилактика: периодическое хлорирование 5–10 мг/л, промывка горячей водой, обработка перекисью водорода.

Отложения карбоната кальция образуются при отдувке CO₂ из жёсткой воды. Снижение концентрации CO₂ повышает pH и индекс насыщения по Ланжелье, вызывая выпадение CaCO₃. При жёсткости выше 300 мг/л CaCO₃ требуется подкисление воды перед отдувкой или периодическая кислотная промывка (HCl, лимонная кислота).

Обмерзание — критическая проблема для наружных установок в холодном климате. Испарение воды при отдувке охлаждает её на 2–5°C. При температуре воздуха ниже -5°C образуется лёд на насадке и конструкциях. Решения: размещение колонны в утеплённом здании, рециркуляция части подогретого воздуха, предварительный подогрев воды.

Шум от вентиляторов и воздуходувок достигает 80–95 дБА на расстоянии 1 м. Шумоглушители на всасе и выхлопе снижают уровень до 65–75 дБА. Нормы для жилой застройки: 55 дБА днём, 45 дБА ночью на границе участка.