微波加熱法脫除煉焦剩余氨水氨氮的工藝研究

剩余氨水是焦化廢水的主要來源，其水量大、水質復雜、污染物濃度高，其中氨氮含量高達3000～5000 mg·L-1。如果不經處理就大量排放，不僅會污染水環境，而且會造成用水設備中微生物繁殖，形成生物垢，堵塞管道和用水設備，影響熱交換[1]。國內外成熟的氨氮脫除方法有生物法、蒸氨法、催化濕式氧化法[2]、化學沉淀法[3]及煤氣吹脫氨技術[4]等。

武鋼焦化廠將脫硫工序產生的廢堿液用于分解氨水中的固定氨(廢堿液的主要組分是Na2CO3，還含有少量的Na2S和NaHCO3)，實現了廢物的綜合利用，降低了生產成本，但廢堿液對固定氨的分解效果并不太好，蒸氨塔出塔廢水中總氨含量為400～500 mg·L-1，超過后續處理所規定的達標值300 mg·L-1。為了進一步降低焦化廢水中的固定氨含量，作者采用微波加熱和空氣吹脫聯合處理工藝，對剩余氨水中氨氮進行脫除，以使剩余氨水中氨氮含量低于300 mg·L-1。

1 實驗

1.1 原理

1.2 儀器

PJ23 c-sc1型美的微波爐，ZB-0.01/7型微型空氣壓縮機，DP-125型微型高壓隔膜泵，玻璃反應釜，轉子流量計。

1.3 方法

1.3.1 靜態實驗

取100 mL剩余氨水于500 mL燒杯中，加入1.0008 g氫氧化鈉，調節微波功率至720 W，微波輻射5 min，測定剩余氨水中的氨氮含量。

1.3.2 動態實驗

在剩余氨水流量為4 mL·min-1、加堿量與剩余氨水的體積比為0.15∶1、微波功率為720 W、空氣流量為0.6 m3·h-1的條件下吹脫，測定吹脫平衡后剩余氨水中的氨氮含量。

2 結果與討論

2.1 微波加熱靜態實驗

2.1.1 加堿量對氨氮脫除率的影響

在100 mL剩余氨水中加入不同量的堿，在微波功率720 W下輻射5 min，考察加堿量對氨氮脫除率的影響，結果見表1。

表1 加堿量對氨氮脫除率的影響

由表1可看出，氨氮脫除率隨加堿量的增加而增大。在加堿量為1.0032 g·(100 mL)-1時，脫除率達到最大，為98.14%。這是因為加堿量越大，剩余氨水的堿性越強，溶液中的氨以游離氨的形式存在的比例越大，氨氮脫除率相應增大。

2.1.2 微波輻射時間對氨氮脫除率的影響

在100 mL剩余氨水中加入一定量的堿，微波功率為720 W，考察微波輻射時間對氨氮脫除率的影響，結果見表2。

表2 微波輻射時間對氨氮脫除率的影響

由表2可看出，氨氮脫除率隨輻射時間的延長而增大。微波輻射時間不足5 min時，脫除率的增幅較大；微波輻射時間超過5 min時，脫除率的增幅很小。這是因為，微波輻射時間越長，溶液產生熱量越大，溶液的溫度越高，而氨在剩余氨水中的溶解度隨溫度的升高而降低，溫度越高，越有利于氨氮的脫除。當微波輻射時間超過5 min后，溶液中的氨氮濃度降到很低，氣液兩相濃度差較小，傳質推動力變小，從液相轉移到氣相的氨變少，使得脫除率增幅變小。

2.1.3 微波功率對氨氮脫除率的影響

在100 mL剩余氨水中加入1.0008 g堿，微波輻射5 min，考察微波功率對氨氮脫除率的影響，結果見表3。

表3 微波功率對氨氮脫除率的影響

由表3可看出，氨氮脫除率隨微波功率的增大而增大。微波功率小于720 W時，脫除率增幅很大；微波功率大于720 W時，脫除率增幅很小；微波功率為900 W時，氨氮脫除率達到98.72%。這是因為，微波功率越大，同一時間內溶液產生的熱量越大，溶液溫度越高，越有利于氨氮的脫除。

2.2 微波加熱和空氣吹脫動態實驗

2.2.1 空氣流量對氨氮脫除率的影響(圖1)

圖1 空氣流量對氨氮脫除率的影響

由圖1可知，氨氮脫除率隨空氣流量的增大而升高。空氣流量小于0.5 m3·h-1時，脫除率上升較快；空氣流量大于0.5 m3·h-1時，脫除率升幅趨緩，此時空氣流量對氨氮脫除率影響較小。這是因為，氣液傳質的速度取決于氣液兩相的濃度差，當空氣流量增大時，氣體中氨氮的濃度降低，氨氮在氣液兩相中的濃度差增大，從而加快了氣液的傳質速度、強化了溶液中氣液兩相的傳質。因此，選擇0.4 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.6 m3·h-1作為空氣流量因素的3個水平來進行正交實驗。

2.2.2 剩余氨水流量對氨氮脫除率的影響(圖2)

圖2 剩余氨水流量對氨氮脫除率的影響

由圖2可知，隨剩余氨水流量的增大，氨氮脫除率逐漸降低。當剩余氨水流量從4 mL·min-1增大到8 mL·min-1時，氨氮脫除率約降低10%。這是因為，剩余氨水流量增大，同一時間內進入反應釜的氨氮量就增加，液相中氨氮濃度增加，氣液傳質的速度加快，空氣帶走的氨氮量也會增加，但是同一時間內因氣液傳質加快帶走的氨氮量小于進入反應釜內的氨氮量，因此反應釜內殘留氨氮的濃度也就高，導致氨氮脫除率降低。因此，選擇4 mL·min-1、6 mL·min-1、8 mL·min-1作為剩余氨水流量因素的3個水平進行正交實驗。

2.2.3 加堿量與剩余氨水體積比對氨氮脫除率的影響(圖3)

圖3 加堿量與剩余氨水體積比對氨氮脫除率的影響

由圖3可知，氨氮脫除率隨加堿量與剩余氨水體積比的增大而升高， 當加堿量與剩余氨水體積比增加到0.15∶1時，氨氮脫除率升幅趨緩；當加堿量與剩余氨水體積比為0.18∶1時，堿已經過量，溶液中游離氨的濃度趨于穩定，氨氮脫除率也趨于穩定。這是因為，加堿量越大，氫氧根離子濃度越大，反應朝右進行，剩余氨水中游離氨濃度越多，液相中氨的濃度越大，氣液兩相界面上氨的濃度差越大，氨的擴散速度越快，越利于氨的脫除。因此，選擇0.12∶1、0.15∶1、0.18∶1作為加堿量與剩余氨水體積比因素的3個水平進行正交實驗。

2.2.4 微波功率對氨氮脫除率的影響(圖4)

圖4 微波功率對氨氮脫除率的影響

由圖4可知，氨氮脫除率隨微波功率的增大而升高。當微波功率小于450 W時， 氨氮脫除率升幅較大；當微波功率大于450 W時，氨氮脫除率升幅趨緩。這是因為，微波功率增大，剩余氨水中產生的熱量增加，溶液溫度快速升高，氨氮脫除率增加較快；而微波功率大于450 W時，剩余氨水短時間內產生的熱量很大，有一部分熱量被水汽帶走，溶液溫度升高不顯著，導致氨氮脫除率增加較小。因此，選擇270 W、450 W、720 W作為微波功率因素的3個水平進行正交實驗。

2.2.5 正交實驗(表4)

由表4可以看出，各因素對氨氮脫除率的影響大小依次為：剩余氨水流量>微波功率>加堿量與剩余氨水的體積比>空氣流量。由表4還可看出，實驗9處理效果較好，且與單因素實驗得到的最佳實驗條件相符；實驗5中加堿量較大，導致處理后的剩余氨水的pH值較大，影響剩余氨水的下一級生化處理，因此，確定最佳工藝條件為：剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3·h-1、加堿量與剩余氨水的體積比0.15∶1，此條件下氨氮脫除率達到94.58%，吹脫后剩余氨水中氨氮含量降到了287 mg·L-1。

3 結論

(1)微波加熱靜態實驗中，在微波功率為900 W時加熱5 min就能使氨氮脫除率達到98.72%，說明靜態實驗中采用微波加熱法能在短時間內脫除剩余氨水中大量的氨氮。

(2)微波加熱和空氣吹脫動態實驗中，各因素對氨氮脫除率的影響大小依次為：剩余氨水流量>微波功率>加堿量與剩余氨水體積比>空氣流量。

(3)動態實驗的最佳工藝條件為：剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3·h-1、加堿量與剩余氨水體積比0.15∶1，在此條件下，氨氮脫除率達到94.58%，吹脫平衡后氨氮含量為287 mg·L-1。

表4 L9(34)正交實驗結果與分析

參考文獻：

[1] 周彤.污水的零費用脫氮[J].給水排水，2000，26(2)：37-39.

[2] 李達，楊鳳玲，李華，等.淺談氨氮廢水處理技術[J].煤化工，2006,34(2)：25-28.

[3] Li X Z, Zhao Q L,Hao X D. Ammonium removal from landfill leachate by chemical precipitation[J]. Waste Management, 1999, 19(6): 409-415.

[4] 文艷，王光華.煤氣脫除解吸法脫除廢氨水中氨氮的新技術[J].燃料與化工，2007，38(1)：31-33.