吹脫法處理高濃度氨氮廢水
吹脫法處理高濃度氨氮廢水
高濃度氨氮廢水來源甚廣且排放量大。如化肥、焦化、石化、制藥、食品、填埋場等均產(chǎn)生大量高濃度氨氮廢水。大量氨氮廢水排入水體不僅引起水體富營養(yǎng)化、造成水體黑臭，而且將增加給水處理的難度和成本，甚至對人群及生物產(chǎn)生毒害作用[1]。氨氮廢水對環(huán)境的影響已引起環(huán)保領(lǐng)域和全球范圍的重視，近20年來，國內(nèi)外對氨氮廢水處理方面開展了較多的研究。其研究范圍涉及生物法、物化法的各種處理工藝，如生物方法有硝化及藻類養(yǎng)殖；物理方法有反滲透、蒸餾、土壤灌溉；化學(xué)法有離子交換法、氨吹脫、化學(xué)沉淀法、折點(diǎn)氯化、電化學(xué)處理、催化裂解等。新的技術(shù)不斷出現(xiàn)，在處理氨氮廢水的應(yīng)用方面展現(xiàn)出誘人的前景。本文側(cè)重介紹吹脫法處理高濃度氨氮廢水的技術(shù)特點(diǎn)及研究應(yīng)用。
1 吹脫技術(shù)
吹脫法用于脫除水中氨氮，即將氣體通入水中，使氣液相互充分接觸，使水中溶解的游離氨穿過氣液界面，向氣相轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到脫除氨氮的目的。常用空氣作載體（若用水蒸氣作載體則稱汽提）。
水中的氨氮，大多以氨離子（NH4 ）和游離氨（NH3）保持平衡的狀態(tài)而存在。其平衡關(guān)系式如下：
NH4 OH-
NH3 H2O （1）
氨與氨離子之間的百分分配率可用下式進(jìn)行計(jì)算：
Ka=Kw/Kb=（CNH3·CH）/CNH4（2）
式中：Ka—— —氨離子的電離常數(shù)；
Kw—— —水的電離常數(shù)；
Kb—— —氨水的電離常數(shù)；
C—— —物質(zhì)濃度。
式（1）受pH值的影響，當(dāng)pH值高時(shí)，平衡向右移動(dòng)，游離氨的比例較大，當(dāng)pH值為11左右時(shí)，游離氨大致占90％。
由式（2）可以看出，pH值是影響游離氨在水中百分率的主要因素之一。另外，溫度也會影響反應(yīng)式（1）的平衡，溫度升高，平衡向右移動(dòng)。表1列出了不同條件下氨氮的離解率的計(jì)算值。表中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)pH值大于10時(shí)，離解率在80%以上，當(dāng)pH值達(dá)11時(shí)，離解率高達(dá)98%且受溫度的影響甚微。
表1 不同pH、溫度下氨氮的離解率%
pH | 20℃ | 30℃ | 35℃ |
9.0 | 25 | 50 | 58 |
9.5 | 60 | 80 | 83 |
10.0 | 80 | 90 | 93 |
11.0 | 98 | 98 | 98 |
氨吹脫一般采用吹脫池和吹脫塔2類設(shè)備，但吹脫池占地面積大，而且易造成二次污染，所以氨氣的吹脫常采用塔式設(shè)備。
吹脫塔常采用逆流操作，塔內(nèi)裝有一定高度的填料，以增加氣—液傳質(zhì)面積從而有利于氨氣從廢水中解吸。常用填料有拉西環(huán)、聚丙烯鮑爾環(huán)、聚丙烯多面空心球等。廢水被提升到填料塔的塔頂，并分布到填料的整個(gè)表面，通過填料往下流，與氣體逆向流動(dòng)，空氣中氨的分壓隨氨的去除程度增加而增加，隨氣液比增加而減少。
2 影響因素及液氣比的確定
影響游離氨在水中分布的pH值、溫度等因素都會影響吹脫效率。另外氣液比、噴淋密度等操作條件也是影響吹脫效率的主要因素。下面以逆流塔為例分析液氣比的確定及其影響。
氨吹脫是一個(gè)相轉(zhuǎn)移過程，推動(dòng)力來自空氣中氨的分壓與廢水中氨濃度相當(dāng)?shù)钠胶夥謮褐g的差，由物料守衡（見圖1）可得吹脫塔操作線方程為：
Y=L/V（X~X1） Y1 （3）
圖1 逆流吹脫塔物料衡算
即以（L/V）為斜率的直線，如圖2的直線MN。在此，L值已經(jīng)確定，若減少吹脫氣體的用量，操作線斜率將會增大，點(diǎn)N便沿垂直線X=X2向上移動(dòng)，傳質(zhì)推動(dòng)力（X2~X2*）或（Y2~Y2*）隨之減小，當(dāng)點(diǎn)N落在線Y*上時(shí)，Y2=Y2*，塔頂吹脫氣體濃度達(dá)到平衡，即*高濃度。此時(shí)氣體用量*小，這是理論上液氣比能達(dá)到的*大值，但推動(dòng)力變?yōu)?。
（L/V）max=（Y2*~Y1）/（X2~X1） （4）
通常要求達(dá)到的氨去除程度（X1）、進(jìn)口濃度（X2）為已知，空氣進(jìn)口濃度（Y1）為零，Y2*為與X2對應(yīng)的氣體平衡濃度，可由亨利定律求得[2、3]，如下式：
Y=mX （5）
因此*大液氣比可表示為：
（L/V）max=mX2 /（X2~X1）（6）
式中m為平衡常數(shù)，是溫度的函數(shù)。所以溫度對氣體平衡濃度進(jìn)而對（L/V）max有較大的影響。有文獻(xiàn)報(bào)道[4]，當(dāng)溫度從10℃變?yōu)?0℃時(shí)，（L/V）max從0.58增大到2.4。
在逆流吹脫塔中，對確定的廢水量而言，增大氣體量，傳質(zhì)推動(dòng)力相應(yīng)增大，有利于氨氮吹脫去除。但氣量太大，氣速過高，將影響廢水沿填料正常下流甚至不能流下，即引起液泛現(xiàn)象。因此，對一定廢水量，*小液氣比受液泛氣速控制。液泛氣速與塔式結(jié)構(gòu)、填料種類和液體物性等因素都有關(guān)。顯然，實(shí)際的液氣比應(yīng)滿足下式要求：
（L/V）泛＜（L/V）＜（L/V）amx （7）
圖2 逆流吹脫塔操作線
3 吹脫工藝的應(yīng)用
吹脫法已廣泛用于化肥廠廢水、滲濾液、石化、煉油廠等[5~8]含氨氮廢水。低濃度廢水通常在常溫下用空氣吹脫，而高濃度廢水則常用蒸汽進(jìn)行吹脫。有些高濃度廢水經(jīng)吹脫處理后，仍含有較高的氨。因而常與其它工藝相結(jié)合。
3.1 吹脫法 生物法
盧平等[9]采用吹脫一缺氧一兩級好氧工藝處理滲濾液，其中氨氮含量達(dá)1400mg/L，COD濃度為4000~5000mg/L。選定pH值為9.5，吹脫時(shí)間12h，經(jīng)吹脫后氨氮去除率為60%，經(jīng)生化處理后氨氮去除率達(dá)95%，同時(shí)取得90%以上的COD去除效果。倪佩蘭等[10]采用吹脫法與生物法相結(jié)合處理滲濾液取得了成功的效果，其工藝流程如圖3。
圖3 滲濾液處理工藝流程
某油墨廠采用吹脫法與生物法相結(jié)合的工藝處理酞菁藍(lán)生產(chǎn)廢水[11]，其工藝流程如圖4所示。吹脫pH值為11，經(jīng)空氣吹脫后，廢水中氨氮濃度從1034mg/L降到140mg/L。再經(jīng)兩級生化處理后，出水中污染物濃度可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。某制藥廠產(chǎn)生的部分高濃度氨氮廢水，不適宜于直接用生物硝化處理，對氨氮廢水先進(jìn)行吹脫，大大降低NH3-N濃度，后與其它廢水混合進(jìn)人生化處理系統(tǒng)進(jìn)一步處理。吹脫效率與pH值和溫度有直接關(guān)系，需做試驗(yàn)確定吹脫條件，達(dá)到*佳處理效果。
3.2 吹脫法 折點(diǎn)氯化法
注：預(yù)處理包括兩級調(diào)節(jié)、銅置換、沉淀
圖4 酞菁藍(lán)生產(chǎn)廢水處理工藝
折點(diǎn)氯化法是投加過量的氯或次氯酸鈉，使廢水中氨完全氧化為N2或硝酸鹽的方法[12]，可用以下反應(yīng)式表示：
NH4 HOCl→NH2Cl H2O H （8）
NH2Cl HOCl→NHCl2 H2O （9）
NHCl2 HOCl→NCl3 H2O （10）
一氯胺進(jìn)一步氧化為氮：
2NH2Cl HOCl→N2 H2O 3H 3Cl- （11）
二氯胺經(jīng)下列反應(yīng)生成硝酸鹽：
NHCl2 H2O→NH（OH）Cl H Cl- （12）
NH（OH）Cl 2HOCl→NO3- 4H 3Cl-（13）
氯化法處理率達(dá)90%~100%，效果穩(wěn)定，不受水溫影響、操作方便、投資省，但對于高濃度氨氮廢水的處理運(yùn)行成本很高。若在此之前用吹脫法降低廢水中氨氮含量，可以減少加氯量，極大地降低處理成本。
某新材料廠排出的含NH4Cl4200mg/L工業(yè)廢水經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用氨閉路吹脫鹽酸液吸收回收NH4Cl與折點(diǎn)加氯法聯(lián)合處理[13]，結(jié)果出水水質(zhì)為：pH值8~9，NH4Cl≤15mg/L。目前該方法已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
4 討論
吹脫法用于處理高濃度氨氮廢水具有流程簡單、處理效果穩(wěn)定、基建費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)較低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用性較強(qiáng)。采用與生物法、氯化法等方法相結(jié)合的工藝能很好解決吹脫處理后廢水中氨氮的含量仍然無法滿足排放要求這一問題。然而，吹脫出來的氨氣隨空氣進(jìn)入大氣，仍然容易引起二次污染。國外已有關(guān)于用鎳、鎘等金屬作催化劑，在高溫下將氨氣轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾膱?bào)道[14、15]。李晟[16]采用復(fù)合金屬氧化物為催化劑氧化吹脫處理出來的氨氣，在500℃左右氨氣轉(zhuǎn)化率在90%以上。目前，本課題組正致力于采用吹脫法與催化氧化法串聯(lián)處理氨氮廢水的研究，后續(xù)氧化階段采用過渡金屬氧化物為催化劑。筆者認(rèn)為，如何將吹脫出來的氨氣無害化，避免二次污染，達(dá)到環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一，將是今后吹脫法處理高濃度廢水的一個(gè)研究方向。
