何延青 潘明強(qiáng)

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測站,河北 張家口 075000)

高濃度氨氮工業(yè)廢水吹脫試驗(yàn)研究

何延青1潘明強(qiáng)2

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測站,河北 張家口 075000)

在分析空氣吹脫基本原理的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)分析了吹脫法預(yù)處理高濃度氨氮工業(yè)廢水的處理效果及其影響因素，并探尋了吹脫工藝的最佳運(yùn)行參數(shù).

高濃度;氨氮廢水;吹脫

0 引 言

氨氮具有很高的耗氧量，對水生生物具有毒性，同時(shí)也是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素.進(jìn)入水體的氨氮來源是多方面的，其中人類活動(dòng)造成的氨氮來源主要有工業(yè)廢水、生活污水、面源性的農(nóng)業(yè)污染等.而氨氮工業(yè)廢水處理一直是污水處理的難點(diǎn)[1].因?yàn)椴煌惖墓I(yè)廢水中氨氮濃度千變?nèi)f化，即使同類工業(yè)不同的廢水中氨氮濃度也各不相同.氨氮處理技術(shù)的選擇與氨氮濃度密切相關(guān)，同時(shí)還取決于廢水性質(zhì)以及要求達(dá)到的處理效果和經(jīng)濟(jì)性[2].盡管氨氮的去除方法有多種，有時(shí)還可以采取多種技術(shù)聯(lián)合處理，但還沒有一種方案能夠高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地處理氨氮廢水.所以，尋求操作簡便、處理穩(wěn)定高效、運(yùn)行費(fèi)用低廉，同時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)氨氮回收利用的氨氮工業(yè)廢水處理技術(shù)具有重要意義[3].

1 試驗(yàn)廢水的來源以及水質(zhì)分析

試驗(yàn)用水來源于某化工廠，該廠是一家中型民營化工企業(yè).該廠ADC發(fā)泡劑(即偶氮二甲酰胺)已形成年產(chǎn)萬噸的生產(chǎn)能力，是一種頗具發(fā)展前景的產(chǎn)品.該廠ADC的生產(chǎn)采用尿素法.以尿素、氯、燒堿為起始原料，先制備水合肼，用所制得水合肼與尿素在硫酸作用下縮合生成聯(lián)二脲，再用氯氣氧化得ADC發(fā)泡劑，經(jīng)洗滌、離心、干燥后得到成品.在ADC生產(chǎn)過程中有兩種工業(yè)廢水產(chǎn)生；一種是縮合廢水，一種是尾氣洗滌廢水.生產(chǎn)廢水來源如圖1所示，有機(jī)合成線共有2個(gè)排水口，無機(jī)生產(chǎn)線有1個(gè)排水口.

圖1 生產(chǎn)廢水來源示意圖

各排水口水質(zhì)指標(biāo)見表1：

表1 排水口水質(zhì)指標(biāo)

不同的排水口廢水水質(zhì)量不同.1號線廢水COD為6537.91 mg/L，氨氮含量為18000 mg/L，嚴(yán)重超標(biāo)；2號排放口的COD為94.15 mg/L、氨氮含量為45 mg/L基本達(dá)標(biāo)；3號排放口的COD為616.27 mg/L、氨氮含量為285 mg/L，有一定超標(biāo).根據(jù)水質(zhì)狀況，我們研究認(rèn)為應(yīng)該對于不同排放口采取不同的處理工藝.1號排水口的廢水首先進(jìn)行一級吹脫，吹脫后的腹水在于2號廢水混合，然后進(jìn)行二級吹脫，處理后的混合廢水于3號廢水混合，最后進(jìn)行生物處理.出廠水達(dá)到當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門提出的治理標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中新建項(xiàng)目二級標(biāo)準(zhǔn).

2 吹脫試驗(yàn)機(jī)理研究

2.1 氨氮的吹脫機(jī)理

調(diào)節(jié)污水pH值，將污水中NH4+轉(zhuǎn)化為游離氨，然后通入蒸汽或空氣進(jìn)行汽提，將污水中氨轉(zhuǎn)入氣相，從水中除去.吹脫是使水作為不連續(xù)相與空氣接觸，利用水中組分的實(shí)際濃度與平衡濃度之間的差異，使氨氮轉(zhuǎn)移至氣相而去除.在吹脫過程中pH，水溫，水力負(fù)荷及氣水比對吹脫效果有較大影響，一般來說pH值要提高到10.8～11.5，水溫不低10度，水力負(fù)荷為2.5～5 m3/m2·h.氣水比為2500～5000 m3/m3.吹脫法除氨去除率可達(dá)60～95%，流程效果穩(wěn)定，但水溫低的吹脫效率低.氨氮主要以氨離子和游離氨形式存在，并在水中保持平衡.當(dāng)提高水的pH值、溫度時(shí)，就可以加以攪拌、曝氣等物理作用使氨氣從水中向大氣轉(zhuǎn)移，達(dá)到去除氨氮的目的.

根據(jù)物質(zhì)傳遞、解析原理，NH3的揮發(fā)性系數(shù)為13，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，非常適宜吹脫法去除.吹脫是一個(gè)傳質(zhì)過程，即在高pH值時(shí)使廢水與空氣密切接觸從而降低腹水中氨濃度的過程，其推動(dòng)力是廢水中NH3的實(shí)際與平衡濃度之差[4].回收利用的氨部分抵消了產(chǎn)生蒸汽的高費(fèi)用，其抵消程度取決于廢水中氨的濃度，試驗(yàn)中用恒溫箱調(diào)節(jié)反應(yīng)器的溫度代替蒸汽吹脫.

根據(jù)排水口的水質(zhì)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)采用兩級吹脫，其中乙級用蒸汽吹脫，保持塔內(nèi)高溫，保證高濃度NH3-N脫除效果以回收液氨；二級則用空氣吹脫，使塔內(nèi)溫度降低，利于后續(xù)生化處理.

2.2 氨氮的吸收機(jī)理

吸收是利用適當(dāng)?shù)囊后w吸收氣體混合物中的有效組分，以達(dá)到分離的目的.吸收可分為為物理吸收和化學(xué)吸收兩類.物理吸收時(shí)，吸收組分僅溶解在吸收劑中，并不與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，物理吸收所能達(dá)到的最大程度取決于在吸收條件下氣體在液體中的平衡溶解度，吸收的速率則主要取決于組分從氣相莊毅到液相的擴(kuò)散速率.如果吸收過程中組分與吸收劑還發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種吸收就叫做化學(xué)吸收.在化學(xué)吸收過程中，吸收的速率處于擴(kuò)散徐律有關(guān)外，還與化學(xué)反應(yīng)的速率有關(guān)，而吸收的極限同時(shí)取決于氣液相的平衡關(guān)系和其化學(xué)反應(yīng)的平衡關(guān)系.因此化學(xué)吸收的機(jī)理較物理吸收復(fù)雜，并且因反映系統(tǒng)的情況不同而有差異.

本研究將吹脫出來的氨氮?dú)怏w用H2SO4水溶液吸收，使其生成(NH4)2SO4.用稀釋液吸收NH3，屬于化學(xué)吸收，吸收的限度主要取決于吸收液體中H+濃度.吸收速率與NH3向溶液中傳質(zhì)速率有關(guān)，而且同NH3與反映的速率有關(guān).吸收過程中，氨氮?dú)怏w的傳質(zhì)是由氣體相轉(zhuǎn)向液相，傳質(zhì)規(guī)律同樣符合雙膜理論模型，由于氨氮?dú)怏w易溶于水，因此液膜阻力可以忽略，其傳質(zhì)阻力主要在于氣膜.從而氨氮?dú)獾奈蛰^解析更容易進(jìn)行.

3 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)過程

試驗(yàn)裝置為自制.如圖2所示，吹脫用空氣由電磁式空氣壓縮泵提供，用LZB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來計(jì)量曝氣強(qiáng)度，溫度通過電熱恒溫水浴鍋來調(diào)節(jié).

試驗(yàn)過程如下：

(1)pH值的調(diào)節(jié).取試驗(yàn)用水，加入一定量的氫氧化鈉，調(diào)節(jié)pH值，儲(chǔ)存于高位水箱待后續(xù)試驗(yàn)使用.

(2)啟動(dòng)空氣泵，調(diào)節(jié)流量計(jì)，按著需要進(jìn)行吹汽，同事記錄吹脫時(shí)間.

(3)確定吹脫過程中影響因素的顯著性.主要考慮溫度(恒溫水浴控制)、時(shí)間、氣量(轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制)以及濃度的影響，采用正交試驗(yàn)分析.以去除率作為整個(gè)試驗(yàn)的控制指標(biāo).

(4)確定單因素的最佳參數(shù)值；在其他因素確定后，分別改變單一因素，如溫度氣量、時(shí)間的值，并測定各單一因素值改變后引起的去除率的變化.

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1 吹脫正交試驗(yàn)及其結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是當(dāng)指標(biāo)、因子、水平都確定后，進(jìn)行試驗(yàn)安排的一種數(shù)學(xué)方法，能分析影響指標(biāo)的主次，能尋找生產(chǎn)中需要解決的問題——最優(yōu)方案.為了研究溫度時(shí)間、曝氣強(qiáng)度、pH值對氨氮吹脫去除率指標(biāo)的影響，我們安排了3因子3水平的正交試驗(yàn)，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為兩次平行試驗(yàn)的均值.

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 正交試驗(yàn)中溫度、時(shí)間、曝氣強(qiáng)度影響圖

如表2和圖3所示，由極差R值大小可知，影響氨氮吹脫去除效果的因素主次順序依次為：溫度(T)，時(shí)間(t)，曝氣強(qiáng)度(Q).其中溫度和時(shí)間影響效果明顯且相差不大，曝氣強(qiáng)度影響很小.由因素水平值均值可得各因素中較佳的水平條件分別為：溫度T=70 ℃，時(shí)間t=120 min，曝氣強(qiáng)度Q=0.85 m3/h.

3.2.2 吹脫工藝參數(shù)的確定

正交試驗(yàn)只能籠統(tǒng)的說明各因子的影響情況，所以我們又做了單因素影響的平行實(shí)驗(yàn)，這樣更能準(zhǔn)確、翔實(shí)的描述各影響因素的大小.

圖4 時(shí)間對吹脫效果的影響圖5 溫度對吹脫效果的影響

圖6 曝氣強(qiáng)度對吹脫效果的影響

由圖4～圖6所示，通過單影響因素試驗(yàn)可以看出經(jīng)濟(jì)的吹脫條件為：溫度T=70 ℃，時(shí)間t=120 min，曝氣強(qiáng)度Q=1.00 m3/h.最佳條件下氨氮吹脫效率為92.8%，單溜液濃度為1300 mg/L，殘留液PH值為6～7.用98%的濃硫酸40 ml加入960 ml水中做吸收液，吸收液濃度9900 mg/L，吸收率為55.0%.

二級吹脫

考慮到每次一級吹脫后的水質(zhì)都有變化，所以一級殘留液進(jìn)入二級空氣吹脫流程的水質(zhì)氨氮含量按1400～1500 mg/L設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)條件：T=30 ℃，Q=1.00 m3/h，t=120 min.二次吹脫的去除效果見表3.

表2 經(jīng)濟(jì)條件下二次吹脫氨氮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

二級吹脫后1號殘留液氨氮濃度在400 mg/L以下，去除率在70%左右，pH接近中性.因?yàn)?、2號水量與3號水量大體相當(dāng)，混合后廢水氨氮濃度約300 mg/L，各項(xiàng)指標(biāo)均在SBR法處理的水質(zhì)指標(biāo)范圍內(nèi).COD值等各項(xiàng)指標(biāo)適宜進(jìn)入下一步流程——生化處理.

4 結(jié) 論

由于原水屬于高濃度氨氮廢水，采用吹脫工藝，廢水中NH3-N濃度仍然達(dá)不到排放要求.所以吹脫技術(shù)只能作為高濃度氨氮工業(yè)廢水處理的預(yù)處理技術(shù).而且吹脫氨氮后廢水中仍存在大量有機(jī)物，可以繼續(xù)采用SBR工藝進(jìn)行生物處理，這樣能夠保證缺氧、耗氧狀態(tài)并存，實(shí)現(xiàn)良好的生物脫氮目的，最終達(dá)到排放要求.

[1]仝武剛,王繼徽,劉大鵬.高濃度氨氮廢水的處理現(xiàn)狀與發(fā)展[J].工業(yè)水處理，2002(09)

[2]劉旭娃,邱顯揚(yáng),危青,李桂英.從V2O5生產(chǎn)廢水中脫除氨氮的研究[J].廣東有色金屬學(xué)報(bào)，2006(02)

[3]陳臘生,王媛媛,李素芳,王楊, 葉立元,郭小華,李仲英.折流旋轉(zhuǎn)床吹脫含氨廢水實(shí)驗(yàn)研究[J].安全、健康和環(huán)境，2005(11)

[4]柳來栓,謝國勇,劉有智.旋轉(zhuǎn)填料床處理含氨廢水實(shí)驗(yàn)研究[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(03)

Research on the Experiment of Stripping to Industrial Wastewater with High Concentration Ammonia

HEYan-qing1,PANMing-qiang2

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou 075000；
2.Environmental Monitoring Station,Zhangjiakou Environmental Protection Agency,Zhangjiakou 075000)

Based on the analysis of the basic principles of air stripping,through test analysis,the effect and influencing factors of pre-treating the industrial wastewater with high concentration ammonia by means of stripping are analyzed,and the optimum operating parameters in stripping process is explored.

high concentration;ammonia wastewater;stripping

2014-11-25

何延青(1968-)，女 ，教授，從事廢水處理及綜合利用研究.

X 703.1

A