高濃度氨氮廢水處理技術(shù)進展

高濃度氨氮廢水處理技術(shù)進展

1大量高濃度氨氮廢水排放系統(tǒng)濃度高氨氮廢水屬于含處理的廢水行業(yè)?；省⒒S、石膏、制藥、食品等工業(yè)和垃圾填埋場產(chǎn)生了大量高純度氨氮廢水。大量氨氮廢水排入水體不僅引起水體富營養(yǎng)化,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。國內(nèi)外一直在積極探索成熟、穩(wěn)定、投資小、運行費用低的解決技術(shù),但因技術(shù)的局限性,高濃度氨氮廢水的穩(wěn)定處理未能得到很好地解決。2一般氨氮處理2.1含氮氣的處理廢水中的氨氮在硝化菌和反硝化菌的作用下,通過硝化、反硝化使NH3-N最終轉(zhuǎn)化為氮氣,從而達到了處理目的。生化法脫氮不僅需要大量的碳源和氧氣(碳∶氮∶磷=100∶5∶1),而且需要較大的回流比,脫氮時間較長,但處理費用較低,因此在氨氮濃度小于300mg/L,且碳、氮比合適的情況下,宜采用生化法。2.2nh3-n的傳統(tǒng)處理方法物化法包括蒸氨(汽提)、離子交換、折點加氯、濕式氧化、化學(xué)沉淀、膜過濾及吹脫法等,其中蒸氨法、汽提法、吹脫法應(yīng)用較普遍。(1)蒸氨法:用高壓蒸汽直接或間接加熱廢水,使廢水中的氨與部分水蒸氣蒸發(fā)。蒸氨工藝在焦化廢水處理中廣泛采用,到目前為止,是在高濃度NH3-N廢水的處理工藝中在技術(shù)上比較成熟的工藝之一,但蒸氨和汽提工藝因耗能大,設(shè)備腐蝕嚴重等問題在推廣應(yīng)用上受到限制。(2)吹脫法:采用填料塔或淺層折流塔,通過鼓風曝氣方式,增加氣液界面和迅速降低氣液界面NH3的分壓,使廢水中的氨氣吹脫出來,去除效率可高達99%。(3)離子交換法:利用固相離子交換劑的功能基團置換廢水中的相同電性的污染物離子(NH4+),再通過分離、濃縮、去除。該法不適于有機物高的廢水脫氮,此外還產(chǎn)生大量被濃縮而更難處理的再生液。(4)電滲析法:在直流電場作用下,廢水中的NH3透過選擇性陽膜,在膜的一側(cè)留下廢水,而另一側(cè)是高濃度的NH3-N廢液。電滲析常用于海水淡化和純水制備時RO工藝的預(yù)處理,設(shè)備簡單,操作方便,不消耗化學(xué)藥品,但脫氮率低,且不適合處理有機物濃度較高的廢水。(5)反滲透法(RO):在反滲透膜一側(cè)對廢水施以大于滲透膜滲透壓的壓力,使廢水中的水透過半透膜流向膜的另一側(cè),NH3-N則被截留在廢水一側(cè)。RO工藝近來廣泛應(yīng)用于海水淡化和純水制備,出水水質(zhì)能滿足各項污染排放標準,不足是將產(chǎn)生30%~40%的濃縮水,此外因老化和阻塞等問題每隔2~3a還必須更換價格昂貴的反滲透膜。(6)MAP化學(xué)沉淀法:在一定pH、溫度、壓力下,廢水中的NH4+與Mg2+和PO43-反應(yīng),生成MgNH4PO4沉淀。MAP法NH3-N去除率低,投入大量的化學(xué)藥劑而處理成本高,且產(chǎn)生大量MAP廢渣。反應(yīng)公式如下:(7)折點氯化法:當投入超過折點的氯或次氯酸鈉時,廢水中的NH3可完全氧化為N2,其反應(yīng)式如下:折點氯化法的NH3-N去除率可達95%以上,處理效率穩(wěn)定,基建投資少,但用藥量大,處理成本高,脫氮后廢水中含高濃度余氯和有毒氯代有機物,其處理難度反而增大。3濃度高氨氮廢水處理的脫鹽試驗3.1試驗廢水水質(zhì)以盤錦某催化劑廠在生產(chǎn)催化劑過程中產(chǎn)生的80m3/d、NH3-N濃度在8000~10000mg/L的高濃度氨氮廢水作為試驗廢水。通過吹脫法靜態(tài)試驗,掌握pH值、水溫、吹脫時間、1號脫氮劑加入量等對脫氮率的影響,從而為工程設(shè)計提供合理的設(shè)計參數(shù)。3.2分析NH3-N分析方法采用滴定法(GB7478-87)。3.3結(jié)果與討論3.3.1脫氮過程中nh3-n的含量變化選擇NH3-N濃度為8624mg/L的廢水在pH為9,10,11,12,13條件下進行吹脫試驗,然后根據(jù)吹脫效果,確定最佳pH值。試驗結(jié)果見表1和圖1(操作條件:平均溫度為35±3℃,吹脫時間為2h)。由表1可見脫氮率隨pH的增加而增加,這是因為包括汽提在內(nèi)的脫氮工藝只能去除廢水中游離的NH3,而無法去除離子態(tài)的NH4+。氨在水中主要以銨鹽和游離氨的形式存在,如式(1)所示:氨與氨離子之間的百分分配率可用式(2)進行計算:式中,Ka為NH4+離子的電離常數(shù);Kw為水的電離常數(shù);Kb為氨的電離常數(shù)。由式(1)、(2)可見,pH值是影響游離氨在水中百分率的主要因素之一,提高pH值,平衡向右移動,游離氨的比例增大,有利于提高脫氮率,反之平衡向左移動,NH4+的比例增大,吹脫率下降。所以在吹脫工藝中必須要提高廢水pH值,使NH4+盡量轉(zhuǎn)化為游離氨。由圖1可見,當pH值超過12后,吹脫率的提高趨勢明顯減弱,這與廢水中殘留NH3-N濃度變小有關(guān)。提高pH值需投加大量的堿,運行成本劇增,所以不能因pH值越高更容易提高脫氮率而盲目提高pH值。經(jīng)大量試驗對比,最經(jīng)濟的pH值根據(jù)廢水中的NH3-N濃度選擇為10.5~11.5之間,脫氮后的出水pH值在9.0~9.5。如果在上述推薦pH范圍內(nèi)仍達不到出水水質(zhì)要求,就應(yīng)考慮適當提高廢水溫度、氣水比或延長吹脫時間。3.3.2溫度對nh3在水中溶解度的影響對高濃度氨氮廢水在水溫為35,40,45,50,55,60℃條件下進行吹脫試驗,然后根據(jù)吹脫效果,確定最佳反應(yīng)溫度。試驗結(jié)果見表2和圖2(操作條件:吹脫前pH為11.2,吹脫時間為2h)。從表2可以看出,溫度對NH3的吹脫效率影響非常大,隨著溫度升高脫氮率迅速上升。這是因為游離NH3在水中通過氫鍵和分子間力與水分子結(jié)合,以NH3·H2O的形式存在,這種分子間的微作用力使NH3在水中的溶解度增大,影響氨的吹脫效果。升高溫度一方面改變氣相中NH3的平衡分壓來降低NH3在水中的溶解度,另一方面增大分子動能,拉大NH3與水分子間的距離,從而減弱NH3和水分子間的分子間力和拆斷氫鍵,使NH3從水分子束縛中更容易解脫出來。在廢水真空法脫氨中試中,選取影響脫氨效率的溫度、pH值、流速、真空度4個因子,并對每個因子又按3水平選取Lg(34)正交表,共9輪實驗,結(jié)果表明溫度和pH的極差大,真空度和流速的極差較小,其影響顯著性由高到低依次為溫度、pH值、真空度和抽真空時間,這一結(jié)果同樣適用于吹脫工藝,即在吹脫工藝中對脫氨效率的影響:溫度的影響最大,其次為pH值,再次為氣水比。由圖2可見,當溫度達到55℃以后,吹脫效率的變化趨于減弱,這也是因為隨著廢水中NH3-N濃度的降低,克服該溫度下NH3-N在水中的溶解度也越來越困難的結(jié)果。另外,吹脫工藝氣水比高達3000~5000∶1,隨溫度升高而廢水蒸發(fā)量也在顯著增加,這等于NH3-N在廢水中濃縮,從而抵消了部分因升溫而提高的脫氮效率。提高溫度有利于提高脫氮率,但在吹脫工藝中熱量散失很大,溫度越高散失量越大,因此選擇適當溫度也是降低運行成本必須考慮的問題。通過大量試驗對比,吹脫工藝最適溫度范圍在45~55℃之間,若在這個溫度范圍仍達不到滿意效果時,應(yīng)考慮適當延長吹脫時間。3.3.3吹脫溫度和nh3-n對高濃度氨氮廢水在吹脫時間為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5h以及加脫氮劑、不加脫氮劑的條件下進行吹脫試驗,確定最佳吹脫時間。時間對吹脫效率的影響見表3和圖3(操作條件:pH值為11.2、吹脫溫度為60℃、鼓風量為1800m3/m3·h、初始NH3-N為9412mg/L)。顯然時間也是影響吹脫效率的重要因素之一,吹脫時間越長,氣水比增大(吹脫時間與氣水比成正比關(guān)系),吹脫率也越高,因此保證足夠的吹脫時間或足夠的氣水比也是保證一定吹脫率的必須條件之一。由圖3可見,在吹脫過程中氨氮的吹脫效率隨吹脫時間變化的趨勢,隨著吹脫時間的延長,吹脫率上升,當吹脫時間達到2h后,上升趨勢明顯減緩。3.3.4脫氮劑的篩選1號脫氮劑是椰油酸系列的復(fù)合制劑,是一種表面活性劑,也是NH3游離的促進劑,能促使反應(yīng)式(1)中NH4+與NH3的平衡關(guān)系向右移動,而且1號脫氮劑中還含有大量的自由基,能破壞NH3·H2O氫鍵,有助于NH3-N分子擺脫水分子的束縛。脫氮劑的另一個作用是廢水中加入脫氮劑后,產(chǎn)生的氣泡不僅大而且極易破裂,有利于提高脫氮效率。通過大量的試驗表明,加入其他表面活性劑后,形成的氣泡不易破裂,在液面形成一層很厚的泡沫層,反而影響吹脫效果。由表3、圖3可見,在pH值、溫度、鼓風量及吹脫時間分別為11.2,60℃,1800m3/h,2h的情況下,加入1號脫氮劑的NH3-N去除效果明顯好于未加脫氮劑的吹脫效果。加入1號脫氮劑不僅脫氮效率高、速率快,而且處理效果穩(wěn)定,只要保證足夠的吹脫時間,NH3-N可處理至無法檢出。4吹脫工藝的運行參數(shù)(1)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、基建投資少、運行費用低等優(yōu)點。(2)吹脫工藝適合水量較少的高濃度氨氮廢水的脫氮(向大氣排放的NH3量不超過廢氣排放標準的前提下),但水量大時,NH3排放量大,即便提高排氣煙囪的高度也無法滿足廢氣排放標準,為避免NH3對大氣的污染,必須要考慮NH3的吸收等后續(xù)處理,但吹脫工藝稀釋比大,稀釋后的NH3濃度低,排氣量又大,對后續(xù)處理帶來很大的困難,因此不適用于大水量、高濃度的氨氮廢水處理。(3)吹脫工藝更適于年平均溫差較小的我國南方地區(qū),而不適于北方地區(qū),因為北方冬季氣溫低,熱損失大,企業(yè)難以承受飆升的運行成本。(4)與其他脫氮工藝一樣,吹脫法的脫氮成本較高,因此選擇運行參數(shù)時必須要從運行成本和處理效果兩方面綜合考慮。通過大量的靜態(tài)吹脫試驗,濃度8000~10000mg/L的NH3-N廢水采用吹脫工藝處理時,推薦如下運行參數(shù):水溫45~55℃;pH:10.5~11.5;氣水比:3000~4500∶1;HRT:2~3h;脫氮劑用量:60g/m3水。(5)吹脫工藝的脫氮率可高達99%以上,但NH3-