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高浓度氨氮废水处理方法

发布时间:2021-2-26 14:53:07  中国污水处理工程网

  水体中的各种氮素主要以有机氮和无机氮的形式存在。其中,有机氮主要包括蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等;而无机氮一般指氨态氮、亚硝态氮(NO2)和硝态氮(NO3)。氨态氮即氨氮,一般指水中以游离氨(NH3)和铵离子(NH+4)形式存在的氮。氨氮废水来源有很多,如生活污水,农业灌溉废水、食品加工废水、化肥、冶金生产废水、炼油厂和制药厂废水等。

  随着我国经济的高速发展,产生了大量高浓度氨氮废水。氨氮废水的大量排放,导致水体中氨氮大量富集,引起水体的富营养化与恶化,对水环境造成巨大危害,不仅严重影响了人们的正常生活,甚至危害了人们的身体健康,社会影响巨大。因此,国家在氨氮废水的排放要求方面也制定了越来越严格的法规与排放标准。目前,除了合成氨、肉类加工、钢铁等12个行业执行相应的国家行业标准(通常一级标准为25mg/L)外,其他均需遵守国家标准GB8978-1996«污水综合排放标准»。该标准明确1998年后新建单位氨氮最高允许排放浓度为15mg/L。

  氨氮废水的处理方法和工艺有很多种,主要有物化法和生物法。物化法包括吹脱法、离子交换法、折点氯化法、化学沉淀法、膜分离法、高级氧化法、电解法、土壤灌溉法等。生物法包括硝化—反硝化、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、A/O、A2/O、SBR、氧化沟等。

  1、物化法

  1.1 吹脱法

  在废水中氨氮多以铵离子(NH+4)和游离氨(NH3)的状态存在,两者保持平衡,平衡关系为:NH3+H2O→NH+4+OH-。这个平衡受pH值影响。当废水pH值升高时,OH-离子增多,该平衡反应向左移动,有利于NH+4生成游离态的NH3,从而使得游离氨所占比例增大,游离氨易于从水中逸出。当废水的pH值升高到11左右时,废水中的氨氮几乎全部以NH3的形式存在,再加上曝气吹脱的物理作用,则可促使NH3更容易从水中逸出,向大气转移。此外,该反应为放热反应,温度升高,反应方程向左移动,也有利于NH3从水中逸出。依据此原理,可以采用吹脱法来去除废水中氨氮,吹脱法一般分为空气吹脱法、水蒸汽吹脱法(汽提法)和超重力吹脱法。

  1.1.1 空气吹脱法

  空气吹脱法去除氨氮的原理是:在碱性条件下,通过外力将空气鼓入需要脱氨处理的废水中,同时在废水中使鼓入的空气和废水充分接触,废水中溶解的游离态氨将穿过废水界面,向外界空气转移,从而达到去除氨氮的目的。

  目前,空气吹脱法在高浓度氨氮废水处理中的应用较多,吹脱速率高,处理费用相对较低,但随着氨氮浓度的降低,特别是当氨氮质量浓度低于1g/L以下时,吹脱速率显著降低。气液比、pH值、气体流速、温度、初始浓度等是影响吹脱法处理效果的主要因素。

  现有吹脱装置主要有吹脱池和吹脱塔,由于前者效率低,易受外界环境影响,因此多采用吹脱塔装置。通常采用逆流操作,塔内装有一定高度的填料以增加气—液传质面积,从而有利于氨气从废水中解吸。常用填料有拉西环、聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心球等。

  空气吹脱法的优点是:具有稳定的氨氮去除率,工艺操作简单,氨氮容积负荷大等。缺点是:吹脱过程中易使填料层结垢,使废水流通不畅,从而影响设备的正常运行;同时,吹脱工艺需要调节废水pH值,需投加大量碱,从而使废水处理成本增高;另外,经空气吹脱处理后,废水中还含有少量氨氮,处理后的废水时常不能达到国家排放标准。因此,吹脱法通常与其他方法联合使用。

  1.1.2 水蒸汽吹脱法(汽提法)

  汽提法去除氨氮的原理是:大量蒸汽与废水接触,将废水中游离氨蒸馏出来,以达到去除氨氮的目的。当向废水中通入水蒸汽时,两液相在填料表面上逆流接触进行热和物质交换,当水溶液的蒸汽压超过外界的压力时,废水就开始沸腾,氨就加速转为气相。此外,气泡表面之间形成自由表面,废水中的氨不断向气泡内蒸发扩散,当气泡上升到液面上破裂释放出其中的氨,大量的气泡扩大了蒸发表面,强化了传质过程,通入的蒸汽升高了废水的温度,从而也提高了一定pH值时被吹脱的分子氨的比率。

  汽提法适用于处理连续排放的高浓度氨氮废水,操作条件与空气吹脱法类似,氨氮去除率高,但汽提法工艺处理成本高,操作条件难控制,消耗动力高等。

  1.1.3 超重力吹脱法

  空气吹脱法和水蒸汽吹脱法一般采用填料塔作为吹脱设备,而超重力吹脱法是利用超重力设备———超重机取代传统的填料塔作为吹脱设备,以空气为气提剂,将水中的游离氨解吸到气相中的氨氮废水治理方法。

  氨氮废水加碱调节pH值为10~11后进入超重机处理。废水经超重机分布器均匀喷洒在填料内缘,在超重力作用下,液体被填料粉碎成液滴,沿填料径向甩出,经筒壁汇集后从超重机底部流出。同时,空气经超重机进气口进入超重机壳体,在一定风压下,由超重机转子外腔沿径向进入内腔。在填料层内,气液两相在大的气液接触面积的情况下完成气液接触,将水中的游离氨吹出。气体送至除雾器,将夹带的少量液体分离后,至吸收装置,脱氨后排空。利用超重机的水力学特性与传递特性,可获得良好的吹脱效果并减少设备投资与运行费用。

  与工业上传统仅使用塔设备的吹脱法相比,超重力法吹脱法具有以下几点优势:

  (1)设备体积质量小,设备及基建费用少,过程放大容易,启动、停车迅速,运行更稳定;

  (2)摆脱了重力场的影响,对物料粘度适应性广,操作弹性大;

  (3)气相动力消耗小,物料停留时间短,传质系数大;

  (4)去除氨氮效率高,有利于气相中氨的回收利用:

  (5)能够增加水中的溶解氧,为可能的后续生化处理提供充足氧源。但是目前超重力法吹脱氨氮技术的大规模工业应用较少,主要是因为该技术不够成熟。特别是大型的结构,仍需要根据具体的物系进行合理设计和试验。

  1.2 离子交换法

  离子交换法是一种特殊的吸附过程即交换吸附。其主要机理是:利用离子间的浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲和力作为推动力达到吸附特定离子的目的。吸附过程是可逆的,吸附饱和的交换剂通过添加特定的解吸液可对交换剂上吸附的离子进行解吸,从而实现交换剂的循环使用。常见的交换剂有沸石等天然交换剂和人工合成的离子交换树脂两大类,而后者还可根据树脂上功能团的不同分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

  天然沸石(主要是斜发沸石)对NH+4具有强的选择吸附能力,并且天然沸石的价格低于人工合成的离子交换树脂。因此,工程上常用沸石对NH+4的强选择性,将NH+4截留于沸石表面,从而去除废水中的氨氮。pH值=4~8是沸石离子交换的最佳范围。当pH值<4时,H+与NH+4发生竞争;pH值>8时,NH+4变为NH3,从而失去离子交换性能。但是沸石交换容量容易饱和,吸附容量低,更换频繁,饱和后的沸石需再生才能再次使用。

  离子交换树脂主要是利用特定阳离子交换树脂与水中的NH+4进行交换,交换后的树脂再通过解吸而还原。与沸石相比,强酸型阳离子交换树脂吸附容量大,处理效果稳定,但目前对强酸型阳离子交换树脂的研究多处于实验室阶段。

  离子交换法的优点是去除率高,适用于处理中低浓度的氨氮废水。处理含氨氮10mg/L~20mg/L的城市污水,出水浓度可达1mg/L以下。但对于高浓度的氨氮废水,会造成短时间交换剂饱和,从而再生频繁,使处理成本增大,且再生液仍为高浓度氨氮废水,仍需进一步处理。在实际工程应用中,离子交换法常结合其它污水处理工艺来处理高浓度氨氮废水,先用其它方法作预处理,使经预处理后的废水浓度在100mg/L左右,然后再用离子交换法处理剩余氨氮废水。

  1.3 折点氯化法

  折点氯化法是将氯气通入氨氮废水中达到某一点,在该点时水中游离氯含量最低,而氨氮的浓度降为零。当通入的氯气量超过该点时,水中的游离氯就会增多,该点称为折点,该状态下的氯化称为折点氯化,折点氯化法的原理就是氯气与氨反应生成了无害的氮气。加氯量对反应有很大影响,当氯的投加量与氨的摩尔比为1∶1时,化合余氯增加,主要为氯氨。当该比例为1.5∶1时余氯下降至最低点即“折点”,反应方程式为:NH+4+1.5HClO→0.5N2+1.5H2O+2.5H++1.5Cl-。pH值也是主要影响因素,pH值高时产生NO-3,低时产生NCl3。为了保证完全反应,通常pH值控制在6~8,一般加9mg~10mg的氯气可氧化1mg氨氮。

  折点加氯法的优点是氨氮去除率高(可达90%~100%),不受水温影响,处理效果稳定,反应迅速完全,设备投资少,并有消毒作用。缺点是由于在处理氨氮废水中要调节pH值,处理成本较高。同时液氯使用安全要求高且贮存时要求的环境条件高。另外,折点加氯法处理氨氮废水后会产生副产物氯代有机物和氯胺,会给环境带来二次污染。因此,折点氯化法多用于较低浓度氨氮废水,适用于废水的深度处理,工业上一般用于给水处理,对于大水量高浓度氨氮废水不适合。

  1.4 化学沉淀法

  化学沉淀法去除废水中氨氮的原理是:向氨氮废水中投加磷酸盐和镁盐,使废水中的氨氮与磷酸盐和镁盐生成一种难溶性的磷酸氨镁沉淀(MgNH4PO4•6H2O),从而达到去除废水中氨氮的目的。

  磷酸铵镁(MAP)又称鸟粪石,可溶于热水和稀酸,不溶于醇类、磷酸氨以及磷酸钠的水溶液,遇碱易分解、在空气中不稳定,升温至100℃时便会失水变为无机盐,继续加热至融化(约600℃)则会分解成焦磷酸镁。MAP可以用作饲料和肥料的添加剂,是一种很好的长效复合肥;也可用于涂料生产、氨基甲酸酯、软泡阻燃剂制造和医药行业。因此,磷酸铵镁脱氮除磷技术既可以去除废水中的氨氮,又可回收较有经济价值的MAP,达到变废为宝的目的。

  化学沉淀法的优点是工艺简单、效率高,经处理后产生的沉淀物MAP经进一步加工处理后,能成为性能优良的农家复合肥料。缺点是处理成本高。在处理氨氮废水过程中需加入大量价格昂贵的混凝剂。此外,去除1gNH+4-N可产生8.35gNaCl,由此带来的高盐度将会影响后续生物处理的微生物活性。因此,该方法一直停留在实验室规模未在工程上运用,较少用于实际氨氮废水处理。

  1.5 膜分离法

  膜分离法包括反渗透法、液膜法、电渗析法等。

  1.5.1 反渗透法

  反渗透就是借助外界的压力使膜内部的压力大于膜外的压力,使小于膜孔径的分子(水)透过,大于膜孔径的分子截留在膜内,这种作用现象称作反渗透。其作用机理关键在于半透膜的选择透过性,半透膜上有好多细小的微孔,像水分子这样的小分子可以自由的透过,而大于半透膜上微孔的NH+4则不能通过。当溶液进入膜系统后,在外加压力的作用下半透膜就会选择性的让某些小分子物质透过,大分子物质NH+4则会留在半透膜内侧通过管道另外的出口排出。

  反渗透装置处理废水需要对原水进行预处理,不然会损坏装置内的膜件,并且该装置需要高质量的膜。

  1.5.2 液膜法

  液膜法又称气态膜法,目前已应用于水溶液中挥发性物质的脱除、回收富集和纯化,如NH3、CO2、SO2、Cl2、Br2等。液膜法去除氨氮的机理是:采用疏水性中空纤维微孔膜,膜一侧是待处理的氨氮废水,另一侧是酸性吸收液,疏水的微孔结构在两液相间提供一层很薄的气膜结构。废水中NH3在废水侧通过浓度边界层扩散至疏水微孔膜表面,随后在膜两侧NH3分压差的推动下,NH3在废水和微孔膜界面处气化进入膜孔,然后扩散进入吸收液发生快速不可逆反应,从而达到脱除氨氮的目的。

  液膜法具有比表面积大,传质推动力高,操作弹性大,氨氮脱除率高,无二次污染等优势,适合处理含盐量较高、油性污染物含量低的高氨氮废水。氨氮或含盐量较高时,能有效抑制水的渗透蒸馏通量,减弱对吸收液的稀释作用;但当废水中含有油性污染物时,会造成膜的污染,使膜的传质系数不能得到完全恢复。由于废水的复杂性、膜材料的研发更新换代、可逆吸收剂的研发以及后续副产品的生产应用等多种原因,气态膜法脱氨工业化进程很慢,国内生产应用实例较少。不过对于高盐高浓度氨氮废水,气态膜处理成本较低,其应用前景广阔。

  1.5.3 电渗析法

  电渗析法的原理是:当进水通过多组阴阳离子渗透膜时,NH+4在施加的电压影响下,透过膜到达膜另一侧浓水中并集聚,从而从进水中分离出来,实现溶液的淡化、浓缩、精制和提纯。国内外专家在电渗析法处理氨氮废水方面作了大量研究,并取得了一定成绩。但由于高选择性的防污膜仍在发展中,且对废水预处理的要求很高,电渗析法用于工业尚需时日。

  1.6 高级氧化法

  高级氧化法是通过化学、物理化学方法将废水中污染物直接氧化成无机物,或将其转化为低毒、易降解的中间产物。应用于脱除废水中氨氮的高级氧化法主要有湿式催化氧化法和光催化氧化法。

  1.6.1 湿式催化氧化法

  湿式催化氧化法是20世纪80年代国际上发展起来的一种治理废水的新技术,其原理是:在特定的温度、压力下,通过催化剂作用,经空气氧化可使污水中的有机物和氨氮分别氧化分解成CO2、N2和H2O等无害物质,达到净化的目的。

  湿式催化氧化法技术优点是:氨氮负荷高,工艺流程简单,氨氮去除率高,占地面积少等。缺点是:在处理氨氮废水中会使用大量催化剂,造成催化剂的流失和增加对设备的腐蚀,使氨氮废水处理成本增大。

  湿式催化氧化法从处理效果上来说适合高浓度氨氮废水的处理,但这种方法对温度、压力、催化剂等条件要求非常严格,反应设备须抗酸抗碱耐高压,一次性投资巨大,而且处理水量较大时费用很高,经济上不划算,目前在国内还鲜有工程应用的实例。

  1.6.2 光催化氧化法

  光催化氧化法是最近发展起来的一种处理废水的高级氧化技术,它可以使废水中的有机物在特定氧化剂的作用下完全分解为简单的无机物CO2和H2O,达到降解污染物的目的,处理方法简单高效,没有二次污染。但由于反应过程中需要的催化剂难以分离回收,使该方法在实际工程中一定程度上受到了限制。

  1.7 电解法

  电解法利用阳极氧化性可直接或间接地将NH+4氧化,具有较高的氨氮去除率,该方法操作简便,自动化程度高,其缺点是耗电量大,因此并不适用于大规模含氨氮废水的处理。

  1.8 土壤灌溉法

  土壤灌溉法是把低浓度的氨氮废水(50mg/L)作为农作物的肥料来使用,该法既为污灌区农业提供了稳定的水源,又避免了水体富营养化,提高了水资源利用率。土壤灌溉法只适合处理低浓度氨氮废水,当废水中的氨氮浓度低于50mg/L左右时,废水中的氨氮在土壤表层发生硝化作用,在土壤深度30cm左右达到峰值,随后由于脱氮等作用,在100cm处减小到10mg/L左右,在400cm以下土壤中未测出NH+4,直接污染到地下水的可能性几乎为零。

  2、生物法

  生物脱氨氮的原理:首先通过硝化作用将氨氮氧化成亚硝酸氮(NO-2-N),再通过硝化作用将亚硝酸氮进一步氧化为硝酸氮(NO3-N),最后通过反硝化作用将硝酸氮还原成氮气(N2)从水中逸出。反应方程式可以表示为:

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  生物法的优点是:可去除多种含氮化合物,对氨氮可以彻底降解,总氨氮去除率可达95%以上,二次污染小且运行费用低。然而生物法对水质有严格的要求,高浓度的氨氮对微生物活性有抑制作用,会降低生化系统对有机污染物的降解效率,从而导致出水难于达标排放。因此,生物法主要用来处理低浓度的氨氮废水,且没有或少有毒害物质存在,主要在处理生活污水以及垃圾渗滤液等方面应用较广泛。常见的氨氮废水生物处理工艺有传统硝化反硝化、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、A/O、A2/O、氧化沟和SBR。

  3、方法比较

  根据废水中氨氮浓度不同可将废水分为三类:

  (1)低浓度氨氮废水:氨氮浓度小于50mg/L;

  (2)中浓度氨氮废水:氨氮浓度为50mg/L~500mg/L;

  (3)高浓度氨氮废水:氨氮浓度大于500mg/L。

  几种主要方法适用范围与优缺点见表1。

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  4、结论展望

  综上所述,处理氨氮废水的方法有很多,主要有物理法、化学法和生物法。物理法的优点是操作简单,氨氮负荷高,占地面积小等;缺点是能量消耗大,容易产生结垢并堵塞管道等。化学法的优点是氨氮去除率高,工艺流程简单,能量消耗小等;缺点是氨氮负荷低,所需化学沉淀剂量大,占地面积大等。生物法的优点是氨氮负荷高,无需调节处理工艺pH值,加碱量少等;缺点是工艺流程复杂,限制因素多,占地面积大等。

  尽管上述每种处理方法都能获得较好的氨氮去除效果,但对于一些较高浓度的氨氮废水单独采用一种方法处理难以使废水中氨氮达到排放标准,往往需多种技术组合处理。一般对于低浓度氨氮废水采用生化处理,其处理费用较低;但对于含有高含盐、高氨氮的废水,往往需要进行物化预处理。研究如何经济合理的组合各技术处理氨氮废水是极其重要的,也是未来的一个研究方向。

  氨氮废水的部分应用实例见表2。

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  随着工业的发展,氨氮废水的成分越来越复杂化,浓度也更加多样化。氨氮废水的处理方法有以下几个发展趋势:

  (1)治理方法综合化。根据氨氮废水的实际情况开展多种工艺联合处理。

  (2)因地制宜选取最佳治理工艺。充分利用地理优势和资源优势选取适宜的处理方法。

  (3)注重资源回收。很大一部分废弃物(如废渣、废水、垃圾)中都有可以回用的资源。对于高含盐高氨氮废水在注重治理的同时也应该加强回收。

  (4)开展以废治废。以废治废在处理水、气、渣方面的应用已不少见,如利用酸性废水中和碱性废水,利用废炉渣处理和吸附废水中的酚及有机物,利用化纤生产工艺中排放的废弃碱液作为热电厂的脱硫剂等。(来源:自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所)

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