吹脫法處理高濃度氨氮廢水       
高濃度氨氮廢水來(lái)源甚廣且排放量大。如化肥、焦化、石化、制藥、食品、onclick="g('垃圾');">垃圾填埋場(chǎng)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(yíng)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(duì)人群及生物產(chǎn)生毒害作用[1]。氨氮廢水對(duì)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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)氨氮廢水處理方面開(kāi)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(lèi)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(guò)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(chēng)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/K_b=（C_NH3·C_H）/C_NH4（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(huì)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%

　　氨吹脫一般采用吹脫池和吹脫塔2類(lèi)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(guò)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(huì)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(guò)程，推動(dòng)力來(lái)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(jiàn)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(huì)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)?。

　?。↙/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(duì)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：

　?。↙/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(duì)氣體平衡濃度進(jìn)而對(duì)（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(duì)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(guò)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(duì)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(lèi)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：

　?。↙/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、onclick="g('垃圾');">垃圾滲濾液、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(jí)好氧工藝處理onclick="g('垃圾');">垃圾滲濾液，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onclick="g('垃圾');">垃圾滲濾液取得了成功的效果，其工藝流程如圖3。

　　圖3 onclick="g('垃圾');">垃圾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(jí)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(duì)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(jí)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(guò)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(duì)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(jiǎn)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(wú)法滿足排放要求這一問(wèn)題。然而，吹脫出來(lái)的氨氣隨空氣進(jìn)入大氣，仍然容易引起二次污染。國(guó)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(lái)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(guò)渡金屬氧化物為催化劑。筆者認(rèn)為，如何將吹脫出來(lái)的氨氣無(wú)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。