吹脱法处理高氨氮废水关键因素研究进展

吹脱法处理高氨氮废水关键因素研究进展摘要：指出了近年来随着我国工业废水排放量增大，氨氮引起的水污染事件频发，急切需要经济有效的脱氮技术，以提高脱氮效率、减缓水体富营养化，介绍了吹脱法处理高氨氮废水的内在机理，讨论了pH值、温度、气液比、吹脱时间等因素与吹脱效率之间的关系，提出了当前应当改进的方向，为提高吹脱法处理高氨氮废水去除率提供参考。关键词：吹脱法；高氨氮废水；影响因素中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：16749944（2013）02014403摘要：指出了近年来随着我国工业废水排放量增大，氨氮引起的水污染事件频发，急切需要经济有效的脱氮技术，以提高脱氮效率、减缓水体富营养化，介绍了吹脱法处理高氨氮废水的内在机理，讨论了pH值、温度、气液比、吹脱时间等因素与吹脱效率之间的关系，提出了当前应当改进的方向，为提高吹脱法处理高氨氮废水去除率提供参考。关键词：吹脱法；高氨氮废水；影响因素中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：16749944（2013）020144031引言2010年我国工业废水排放量为658108t，约占全国废水排放量的40%，其中氨氮废水为94104t，去除率平均值为62%1。高浓度氨氮废水来源很多，并且排放量大、成分复杂、毒性强，如化肥、焦化、石油化工、铁合金、肉类加工和饲料生产、玻璃制造、垃圾渗滤液等行业排放的高浓度氨氮废水，一般氨氮浓度在2006000mg/L，目前我国制药行业是氨氮排放最大的行业之一2。可见加强工业废水的治理势在必行，特别是氨氮废水的去除。另外，我国“十二五”期间污染物约束性指标中，氨氮排放总量控制目标要求比2010年减少10%。常用的处理氨氮废水的方法主要有吹脱法、生化法、离子交换法、折点氯化法和磷酸铵镁沉淀（MAP）法等。目前，国内多采用生化法和吹脱法，国外则多采用生化法和磷酸铵镁沉淀法。吹脱法多用于处理中高浓度、大流量氨氮废水，吹脱出的氨可以回收利用，但有容易结垢、低温时氨氮去除效率低、吹脱时间长、二次污染、出水氨氮浓度仍偏高等缺点3，所以明确影响吹脱法的关键因素，提高氨氮去除率，对于氨氮处理成本控制、水污染得到控制、实现城市的可持续发展具有重要的意义。2吹脱法的基本原理吹脱法的基本原理是利用废水中所含的氨氮等挥发性物质的实际浓度与平衡浓度之间存在的差异，在碱性条件下使用空气吹脱，由于在吹脱过程中不断排出气体，改变了气相中的氨气浓度，从而使其实际浓度始终小于该条件下的平衡浓度，最终使废水中溶解的氨不断穿过气液界面，使废水中的NH3-N得以脱除，常以空气作为载体。氨吹脱是一个传质过程，推动力来自空气中氨的分压与废水中氨浓度相当的平衡分压之间的差，气体组份在液面的分压和液体内的浓度符合亨利定理4，即成正比关系。此法也叫“氨解析法”，解析速率与温度、气液比有关。吹脱法一般采用吹脱池（也称“曝气池”）和吹脱塔两类设备。但吹脱池占地面积大，而且易污染周围环境，所以有毒气体的吹脱都采用塔式设备。塔式设备中填料吹脱塔主要特征是在塔内装置一定高度的填料层，使具有大表面积的填充塔来达到气液间充分接触。常用填料有纸质蜂窝、拉西环、聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心球等。废水被提升到填充塔的塔顶，并分布到填料的整个表面，水通过填料往下流，与气流逆向流动，废水在离开塔前，氨组份被部分汽提，但需保持进水的pH值不变。空气中氨的分压随氨的去除程度增加而增加，随气水比增加而减少。影响吹脱法处理氨氮废水去除率主要是pH值、温度、气液比/吹脱水位深度、吹脱时间等因素。国内外进行吹脱实验，一般采用的实验装置如图1所示。图1空气吹脱法实验装置3影响吹脱法去除效率的关键因素3.1pH值对吹脱效率的影响水中的氨氮，大多以氨离子（NH4+）和游离氨（NH3）保持平衡的状态而存在，吹脱效率与水中游离氨含量直接相关。其平衡关系式如下：NH4+OH-NH3+H2O该反应是一个可逆反应，当pH值升高，平衡向右移动，游离氨的比例增大，当pH值为11左右时，游离氨大致占90%。根据水的离子积为常数的原理，即H+OH-=Kw为一常数，pH值是影响游离氨在水中百分率的主要因素。周明罗5利用吹脱法处理实验室自制浓度氨氮为3000mg/L，吹脱升高效率随pH值而不断增大；当pH值小于10时，氨氮去除率从22.6%上升到75.8%；当pH值从10升高11，去除率增大到93.5%，增大幅度变小；当pH值大于11时，变化趋于平缓。李瑞华6采用氨吹脱工艺处理焦化厂废水氨氮浓度90700mg/L实验，发现碱的投加量在1L废水1530mmoL，pH值为11时最适宜。Ca（OH）2调节pH值产生的沉淀物堵塞吹脱塔的填料和输送管道，实际工程中用NaOH调节废水的pH值。PHLiaoA7采用曝气和吹脱去除养猪业产生的高浓度氨氮废水进行试验，pH值为11.5时，吹脱的方法最好的结果达到了90%去除率。从以上可知，吹脱法最适宜的pH值为11左右，保证吹脱效率的同时，降低药剂费用。3.2温度对吹脱效率的影响生成氨气的反应是一个吸热反应，当温度较高时，氨气的挥发速度大于溶解速率，平衡向右进行，但当温度大于30时，水分蒸发速度加快，导致废水的氨氮浓度升高，使得去除率下降。吹脱法在垃圾渗滤液中的应用和研究较多，吴成强等8实验结果表明pH值与温度互为影响吹脱效率，温度越低时，初始pH值对吹脱效率的影响显著，温度较高（30）时，pH值对吹脱效率影响不大；初始pH值越低时，温度对吹脱效率的影响越显著。在刚开始2040时曲线变化较快，即氨氮去除率增加较大，但当温度超过40时吹脱效率较差。李瑞华等采用吹脱法预处理焦化废水中氨氮，当温度上升至60时，游离氨所占质量分数增大，分子的布朗运动加快，有利于氨吹脱的传质。而朱菁9用高温脱氨吹脱法处理高浓度染料化工废水，需要7080。刘文龙等10采用吹脱法处理催化剂生产过程中产生的含（NH4）2SO4高浓度氨氮废水（4300mg/L），吹脱温度为80，氨氮脱除率达到99.2%，氨氮质量浓度可降至60mg/L以下，运行成本太高。处理不同氨氮废水需要的最佳温度不同，没有一个适合的范围，需要通过实验研究确定。3.3气液比对吹脱效率的影响吹脱设备增大供气量或气水自由接触表面积都能加速NH3的传质，然而在实际工程应用中，在用地许可的情况下，增大后者可以提高处理效果，节省运行费用。吴成强等利用马鞍型填料塔处理垃圾渗滤液发现在合理pH值范围内，气水比决定了吹脱塔高径比对吹脱效率的影响，气水比较高（400）时，高径比越大，吹脱效率越高。增加气液界面的表面张力，选择合适的气液比，提高曝气的单位时间气水比，研究其他不同填料曝气吹脱氨氮的影响，计算传质系数关联式，找到最佳填料。总传质系数和曝气速率的关系，仍需要进一步的研究。吹脱效率与气液比成线性关系，当气液比为20005000时，传质过程符合溶质渗透理论，应从动力消耗和吹脱效率两方面考虑。吴方同11等采用规整填料塔吹脱去除垃圾渗滤液中的氨氮，进水氨氮浓度在2000mg/L左右，吸收段为塑料填料，吹脱段为不锈钢填料。在温度为25，pH值为10.511.0，气液比为29003600时氨吹脱效率达95%以上。气液比也影响着氨吹脱效率，BonmatiA12等利用脱法处理中温厌氧消化后的养猪场废水，气液比为301，然而PiKW13等吹脱法预处理垃圾填埋场气液比30001到60001。在工程应用中吹脱法预处理焦化废水，李瑞华是采用的YZ型塑料弹性填料，比表面为850859m2/m3，气液比可达20002500，去除率为80%，运行费用1元/t。可见，针对不同种类废水，利用填料的不尽相同，应该增加吹脱传质面积，减少动力消耗，提高吹脱效率。3.4吹脱时间对吹脱效率的影响减小吹脱时间，有利于加快反应速度，提高处理量，减少设备的容积。徐颖14采用吹脱法处理垃圾渗滤液，吹脱段pH值为11，气液比在20002300，吹脱时间9h，反应条件达到最佳吹脱效率才达到52.0%。卢平15等采用吹脱缺氧两级好氧工艺处理垃圾渗滤液，垃圾渗滤液取自香港某垃圾填埋场，氨氮浓度1400mg/L，pH值为9.5，吹脱时间12h，经吹脱后氨氮去除率为60%。傅金祥16等采用吹脱法垃圾渗滤液，进水氨氮浓度1800mg/L，最佳pH值为11，最佳气液比为3601，空气量为3.0L/min，吹脱时间为1h，去除效率可达88.75%。由此可看出处理相同的废水最佳吹脱时间也相差很大，可能是因为采用的填料不同、装置设计的合理性等原因造成，吹脱处理后能够很好地进行后续处理和控制运行成本。2013年2月绿色科技第2期吴海忠：吹脱法处理高氨氮废水关键因素研究进展环境与安全4联合处理目前利用吹脱法预处理的研究很多，比如有利用吹脱与催化转化串联，所采用的催化剂主要是负载金属氧化物（Al2O3），该法处理成本昂贵，应用较少。王保学17采用空气吹脱+UASB（升流式厌氧污泥床）工艺处理垃圾渗滤液，经过试验表明在pH值1011、温度20、吹脱气体流量为0.17m3/min、吹脱8h条件下废水有利于后续加入颗粒活性炭处理。王献平18等氮肥厂经吹脱前期处理，然后进入A/O工艺，处理氮肥厂污水，水量20m3/h，进水水质氨氮浓度为1000mg/L，出水稳定在1mg/L。卢平等采用吹脱-缺氧-两级好氧工艺处理垃圾渗滤液，垃圾渗滤液取自香港某垃圾填埋场，氨氮浓度1400mg/L，pH值7.89.0，选定pH值为9.5，吹脱时间12h，经吹脱后氨氮去除率为60%，再经缺氧好氧生物处理后对氨氮和COD的去除率大于90%。雷春生等19水样来自于常州市某制药厂的制药废水，其pH值为8.5，浊度为2NTU、氨氮废水浓度为29856mg/L，COD浓度为5987mg/L。采用纳式试剂光度法测定氨氮浓度，有机复合脱氮剂/吹脱法对氨氮的去除率可达99.99%以上，废水中的剩余氨氮浓度最低可达0.2mg/L。有机复合脱氮剂/吹脱法的最佳pH值比直接吹脱法的低，节省了加碱量。最佳气液比是直接吹脱的1/10，大大节约了能耗，吹脱时间缩短很多。可以发现吹脱法作为预处理能够取得很好的效果，最后雷春生等通过使用有机复合脱氮剂取得了很好的效果，但是对于其他废水处理效果有待考验。5结语目前国内采用吹脱法处理氨氮废水较多。采用吹脱法时，不仅应关注如何提高氨氮吹脱效率，还应主动防止二次污染。当然也存在大量的局限性，大部分设计只停留在从pH值、温度、气液比、吹脱时间上考察处理氨氮的效率，其关键参数和结构设计等都值得仔细推敲。近年来，许多学者通过对实践经验的总结和反思，提出了很多技术设计上的改进方法：采用吹脱-缺氧-两级好氧工艺处理垃圾渗滤液，通过联合法处理氨氮废水；直接吹脱法处理高浓度氨氮废水的基础上在盛水容器中的废水加入有机复合脱氮剂，但指出有机复合脱氮剂的脱氮机理还有待进一步的研究。吹脱法处理高浓度氨氮废水虽然在一定程度上得到了很大的改进，但吹脱效率受到很多因素的影响，需要进一步深刻研究和分析，具体如下：温度对吹脱效率的影响很大；吹脱时间比较长，一般在112h；目前几乎没有关于改变吹脱塔填料特性对高浓度氨氮吹脱效率影响的研究；吹脱产生氨气，二次污染。对高浓度氨氮废水的处理，国内的研究目前主要集中在物化法，很少采用生物法20，所以应该采用吹脱法与其他脱氮工艺相互组合，实现优势互补，达到最佳运行条件，最后使出水达到国家标准。寻找运行成本低、可靠、高效处理高浓度氨氮废水的工艺和技术有重要的现实意义。参考文献：1国家环境保护总局.中国环境统计年报R.北京：中国环境科学出版社.2010.2仝武刚，王继徽.高浓度氨氮废水的处理现状与发展J.工业水处理，2002，22（9）：911.3钟金松，闵育顺，肖贤明，等.浅谈高浓度氨氮废水处理的可持续发展方向J.环境科学与技术，2008，31（2）：92-94.4冯德华.化学工程手册M.北京：化学工业出版社.1989.5周明罗.吹脱法处理高浓度氨氮废水J.广州环境科学.2005，20（1）：911.6李瑞华，韦朝海，吴超飞，等.吹脱法预处理焦化废水中氨氮的条件试验与工程应用J.环境工程，2007，25（3）：3840.7P.H.LiaoA.Chen，K.V.RemovalofnitrogenfromswinemanurewastewatersbyammoniastrippingJ.BioresourceTechnology，1995，54（1）：1720.8吴成强，任国芬，王宏宇，等.高氨垃圾渗滤液的吹脱条件控制研究J.环境污染与防治，2006，28（8）：592594.9朱菁.高温脱氨-吹脱法处理高浓度氨氮废水的工程实践J.环境科学与管理，2009，34（1）：107109.10刘文龙，钱仁渊，包宗宏，等.吹脱法处理高浓度氨氮废水J.南京工业大学学报：自然科学版，2008，30（4）：5659.11吴方同，苏秋霞，了梦，等.吹脱法去除城市垃圾填埋场渗滤液中的氨氮J.给水排水，2001，27（6）：2024.12BonmatiA，FlotatsX.Airstrippingofammoniafrompigslurry：characterisationandfeasibilityaspre-orpost-treatmenttomesophilicanaerobicdigestionJ.WasteManage，2003（23）：261272.13Pi，