基于复合脱氮剂吹脱法处理高浓度氨氮废水装置与应用
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董向阳 赵远 雷春生 冀云 郭雅婷
【摘 要】本文以传统的吹脱法处理高浓度氨氮废水技术为基础，复配了一种以乳酸乙酯为主、乙酸为辅的有机复合脱氮剂，探讨了不同温度、PH值等条件对废水中氨氮去除率的影响，并对不同高浓度氨氮废水中的氨氮去除率进行分析。研究结果发现，在脱氮剂投加量为30mg/L、pH值为9～11、吹脱水位深度400mm、吹脱时间大于2.5h、常温（25℃）的条件下，废水中氨氮浓度可以从21000.0mg/L降低到12.6mg/L，氨氮去除率高达99.94%；温度到达45℃时，可将废水中氨氮浓度从21000.0mg/L降低至0.21mg/L，氨氮去除率高达99.999%；对于氨氮浓度在800～30000mg/L的废水，在常温下以相应条件吹脱后，废水中剩余氨氮浓度都在l5mg/L以下，吹脱出来的氨气经吸收装置吸收无二次污染。
【关键词】高浓度氨氮；有机复合脱氮剂；氨氮去除率；吹脱法
目前我国氨氮排放量已远远超出受纳水体的环境容量，氨氮已成为影响地表水水环境质量的首要指标，减排指标除了＂十一五规划＂指定控制COD、SO2的排放总量，还将氨氮和氮氧化物纳入总量控制指标体系，明确提出氨氮减排10%的目标。常见的氨氮废水处理技术主要有物化法、传统生物脱氮技术和新型生物脱氮技术等。物化法包括吹脱法、化学吸附法、折点氯化法、离子交换法等；新型生物脱氮技术包括短程硝化反硝化、好氧反硝化、厌氧氨氧化等[1]。上述氨氮废水处理方法各有优缺点，在高浓度氨氮废水的去除方面均受到一定程度的限制，无法达到经济、低耗、高效去除氨氮的要求。本文主要是在传统吹脱法处理高浓度氨氮废水基础上，加入一种有机复合脱氮剂，对影响高浓度氨氮废水脱氮效率的不同条件进行了探讨，并分别以不同的高氨氮废水为进水时，通过试验模拟实现了氨氮的去除[2]，证明有机复合脱氮剂-吹脱法去除高浓度氨氮废水是切实可行的。
一、材料与方法
1.试验装置与工艺流程
试验装置与工艺流程图1所示，其中加药罐与氨气吸收装置由PPR材料做成，调节池和脱氮塔由钢铁做成；调节池的体积能够容纳1.0m3废水，脱氮塔采用五级分层结构，每层层高为1.0m，可以调控液位水面，气体从中间空心通道通过，穿孔曝气管均匀分布在每层塔板上，整个塔直径为1.2m，高5.0m；氨气吸收装置采用双级逆流吸收。采用罗兹鼓风机进行曝气，气体从每层塔板底部通过穿孔管往上流动，曝气量通过带阀门的转子流量计进行控制。废水由管道流进调节池，用碱调节pH值并加入脱氮剂，加热时采用蒸汽加热。充分搅拌后由提升泵提升到脱氮塔顶部，由射流器喷出并均匀分布到塔板的整个表面，曝气后通过塔板往下流与气体逆向流动，使水中的游离氨穿过气液界面向气相转移，从而去除水中的氨氮。吹脱出来的气体由管道进入氨气吸收装置，过量空气排放。
2.试验用水与试剂
试验过程中，采用两种废水作为试验废水。试验用水1是常州市某生化制药厂废水，其pH值在8.0～8.5之间，浊度为2NTU，氨氮质量浓度约20000mg/L，COD浓度约为6000mg/L；试验用水2为自配水。采用固体工业碱加水溶解调节pH值，复合脱氮剂由乳酸乙酯、乙酸、丙三醇、聚乙烯多胺和过氧化钙按不同比例复配而成，脱氮剂加入的量按与水体积比为1：500的比例稀释加入。
3.分析项目与方法
氨氮：纳氏试剂分光光度比色法（GB7479-87）；温度；pH；浊度：SS19-WGZ-200型光电浊度仪；COD：LH 75B-3C COD快速测定仪。
二、结果
1.脱氮剂投加量对氨氮去除率的影响
脱氮剂投加量对氨氮去除率的影响，取原水500L，氨氮浓度为21000.0mg/L。加碱调节pH值为11.0，再分别称取5，10，l5，20，25，30g有机复合脱氮剂，与水按体积比为1：500稀释后加入废水中，脱氮塔内每层水面液位高度控制在100mm，气液比為600：1，在45℃下曝气3h，出水经测得氨氮浓度分别为0.61，0.81，0.29，0.5，0.2，0.3mg/L，氨氮去除率均在99.99%以上，可见有机复合脱氮剂与吹脱法相结合，能够有效去除废水中的高浓度氨氮。
2.pH值对氨氮去除率的影响
表2为在45℃，脱氮剂投加量为30mg/L，气液比为600：1，液面水位深度为100mm条件下，曝气3h后废水中pH值对氨氮去除效果的影响。从表中看出当pH值为6.5和7.5时，氨氮去除率为91.17%和98.87%；随pH值继续上升到8.5，氨氮的去除率升到99.98%。在研究发现在任一pH值条件下进行试验，废水在脱氮处理前后pH值总保持不变。
3.时间对氨氮去除率的影响
在脱氮剂投加量为30mg/L，pH值为11.0，温度在45℃，气液比为600：l，液面水位深度为100mm条件下改变曝气时间，研究在不同的处理时间下对氨氮去除率的影响。结果如表3所示，从表中可以看出当曝气时间超过1.0和1.5h，氨氮去除率分别达到96%和99%；在曝气时间超过2.5h后，氨氮去除率达到99.999%以上。考虑到能耗问题确定最佳吹脱时间为2.5h。
4.水位深度对氨氮去除率的影响
表4为在脱氮剂投加量为30mg/L，pH值为l1.0，气液比为600：1，温度为45℃和吹脱时间2.5h条件下，从表中可以看出，随着吹脱水位深度增加，氨氮去除率逐渐减小，在水位深度400mm内，氨氮去除率降低平稳，废水中剩余氨氮浓度保持在8.0mg/L以下，氨氮去除率为99.9%以上。因此确定吹脱水位深度为400mm。
5.温度对氨氮去除率的影响
在温度分别为5，l5，25，35，45和55℃的条件下，脱氮剂投加量为30 mg/L，pH值为11.0，气液比为600：1，液面水位深度为400mm，吹脱时间为2.5h的条件下结果如表6所示。在5℃和l5℃时，氨氮的去除率分别为99.45%和99.59%，废水中剩余氨氮浓度为112.2和86mg/L，当温度在常温（25℃）条件下，氨氮的去除率达到99.97%，剩余氨氮浓度10mg/L，低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准，继续升高温度到45℃以上时，废水中剩余氨氮浓度仅为0.21mg/L，氨氮去除率达到99.999%。
6.不同进水氨氮浓度废水对氨氮去除率的影响
在pH值为11.0，脱氮剂投加量为30mg/L，气液比为600：1，液面水位深度为400mm，25℃下，经试验装置吹脱2.5h后，得到的废水中剩余氨氮浓度和氨氮去除率如表6所示，自配高浓度氨氮废水经试验装置吹脱后，废水中剩余氨氮浓度均低于11mg/L，氨氮去除率都在99.0%以上。通过试验证明，在传统吹脱法的基础上加入有机复合脱氮剂，对于处理高浓度氨氮废水是切实可行的。
三、讨论
通过试验可得，加入有机复合脱氮剂对于氨氮的去除效果很明显与脱氮剂加入量关系不大。pH是影响氨氮去除效果的一个重要因素。当废水中的pH为7.0左右时，氨氮多以氨离子（NH4+）存在，随着碱的加入pH值升高，游离氨（NH3）所占比例越来越大。当pH值升至11.0以上时，游离氨（NH3）可达90%以上。因而一般的吹脱法必须要把废水pH值调节到11.0以上，氨氮的去除率才能达到90%以上。在废水中加入有机复合脱氮剂时，废水中pH值在酸性或中性条件下，氨氮的去除率也能够达到90%以上。当脱氮剂对氨氮的去除率达到峰值后，氨氮的去除率随着脱氮剂的加入反而减小，当溶液达到临界胶束浓度时，随着脱氮剂的加入，溶液的表面张力不在降低而形成大量基团[3]。而且传统吹脱法在脱氮完之后废水中的pH值有所下降，而复合脱氮剂强化吹脱法在整个脱氮过程中以及脱氮完后，废水pH一直没有变化，这进一步说明氨气从水中吹脱出来，不是由于OH-与NH4+反应的结果。
温度对氨氮的去除效果比较明显。温度越高越能满足氨气挥发吸热量的条件。传统的吹脱法有蒸汽吹脱法和空气吹脱法两种，在冬季气温比较低，吹脱效果不佳，需要加入有机复合脱氮剂再进行吹脱。吹脱塔排放的尾气中含有大量氨气，直接排放对环境造成很大影响，因此吹脱出的NH3进入氨气吸收塔，吸收装置采用双级逆流吸收无二次污染。
四、结论
（1）经试验研究证明，将有机复合脱氮剂与传统吹脱法相结合处理高浓度氨氮废水是切实可行的，具有氨氮去除率高，操作简便等特点。
（2）脱氮剂发挥作用后，其投加量的变化对氨氮去除率的影响不大，实际应用中应确定脱氮剂的最小投加量以减少运行成本。
（3）PH值对氨氮去除率影响较大，在酸性条件下去除效果不佳，所以工艺运行过程中一定要控制好PH，使其达到碱性条件。
（4）试验结果表明，有机复合脱氮剂与传统吹脱法相结合处理高浓度氨氮废水工艺运行的最佳条件是：脱氮劑投加量为30mg/L，pH值为9.0，温度为常温（25℃），吹脱水位深度为400mm，吹脱时间为2.5h。在此工艺条件下，氨氮去除率可达到99.95%。
【参考文献】
[1]苏丽娜.物化法在治理环境中高氨氮废水的应用探讨.山西化工，2016，164：16—37
[2]孙连鹏，陈莉莉，罗家和，等.复合脱氮剂处理高浓度氨氮废水的小试研究.环境科学与技术.2014，6N：148-149
[3]李秀婷，柳丽芬，杨风林，等.Pt/TiO 2光催化氧化还原耦合反应脱除水中无机氮.无机化学学报，2006，22：1180—1186