折點加氯法去除氨氮應用于河道突發性污染中的試驗研究及其應用

趙 振

(南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 前言

在經濟快速發展的同時，我國許多河道污染問題十分突出[1]，耗氧性有機物和氮磷營養物一直居高不下。河道日常管理中，有時會遇到突發性污染事件，如企業偷排，管網破損污水下河，施工期非法排污等，由此引起發的氨氮超標污染最為常見。目前河道治理方法主要分為物理、化學和生物-生態這三類[2]。由于水體污染成因不同，在治理河道水體的技術上不能只采用單一的技術[3]。具體實踐中，化學方法作為應急措施去除效果很好，是一種瞬間見效快的方法[4]。當河道突發性污染時，含有較高的氨氮濃度，易形成水體富營養化[5]，利用生物方法很難快速達到很好的去除效果。折點加氯法是一種可以精確高效去除氨氮的方法[6]，這種方法操作簡單，可以在短時間內解決明顯、氨氮污染問題，并提高水體透明度。

折點加氯法的一個明顯缺點是當投加量過多時，會產生副產物氯胺和氯化物有機物[7]，造成二次污染。本實驗定量地投加次氯酸鈉，通過多次反復試驗研究，找到去除氨氮含量與投加次氯酸鈉的最佳比值，既可以有效去除氨氮，又控制了投加次氯酸鈉的量，做到控制成本。

本實驗折點加氯法是將次氯酸鈉通入廢水中，將廢水中的NH4-N轉化為N2的化學脫氮工藝。隨著次氯酸鈉的投加，主要發生如下反應：

當次氯酸鈉通入廢水中達到一個數值時，水中的氨氮含量降至零，此時化合性余氯最高。當繼續增加次氯酸鈉時，水中的化合性余氯逐漸降至最低，化合性余氯逐漸轉變為N2和NHCl2，此時我們稱為折點。在折點以后，若繼續加氯，余氯量將隨之增加，但增加的是自由性余氯，加氯量超過折點的稱為過量加氯。因此，為了既有效去除水中的氨氮污染，又要控制投加次氯酸鈉后產生的二次污染問題，需要通過試驗定量的確定次氯酸鈉投加量與氨氮含量的比值，擬合確定最佳投加量，以指導實際工程應用。

2 實驗方法與儀器

2.1 實驗方法

取氨氮含量不同的廢水作為試驗原水，計算理論最佳投加量，同一濃度氨氮廢水中投加不同含量的次氯酸鈉，次氯酸鈉有效氯含量為5.6%，進行多組對比反應試驗。控制pH值在6～7為最佳反應時間，接觸時間為0.5～1.5 h，反應完成后鼓氣30 min～1 h，采用3,3′，5,5′-四甲基聯苯胺比色法測樣品中的余氯含量[9]。

2.2 實驗儀器

試驗儀器：759S紫外可見分光光度計(上海棱光技術有限公司)；余氯快速檢測儀；水浴鍋；50 mL比色管；25 mL棕色酸式滴定管；磁力攪拌器；PH計；溫度計；濁度儀。

2.3 實驗現象

本實驗由于原水無色，實驗過程中也不會產生沉淀等現象，具體實驗情況如圖1所示。

圖1 實驗裝置

3 實驗結果與討論

3.1 原水氨氮濃度為15 mg/L時的最佳投配比

分析數據可知，隨著次氯酸鈉的投加，氨氮離子先轉化為化合性余氯，氨氮基本去除的時候，化合性余氯達到最大值。隨著次氯酸鈉的繼續加入，化合性余氯部分轉化為氮氣，化合性余氯的量逐漸下降。當有效氯含量不低于5.6%的次氯酸鈉投加量約0.7 mL時，氨氮濃度基本去除。當化合性余氯(氯胺)達到一個值不再降低時，如圖2的B點，即我們選取的最佳投加點，此時原水中氨氮基本去除，且余氯最低，二次污染控制在下限值。當原水氨氮濃度為15 mg/L時，取1 mL為最佳投加量，則去除氨氮與投加次氯酸鈉的摩爾比為1∶3.51，最佳質量比為1∶18.69。

圖2 氨氮與氯胺濃度與加氯量關系

3.2 原水氨氮濃度為30 mg/L時的最佳投配比

分析數據可知，當原水濃度為30 mg/L，次氯酸鈉投加量約1.3 mL時，水中氨氮濃度基本降為最低值，此時化合性余氯含量最高，非最佳投加點。當繼續投加次氯酸鈉時，氨氮含量幾乎不再降低，氯胺的含量繼續下降到B點時(如圖3所示)，此時水中氨氮含量最低，且氯胺含量相對較少。為了減少二次污染和處理成本，建議B點為最佳投加點。取1.8 mL為最佳投加量，則去除氨氮與投加次氯酸鈉的摩爾比為1∶3.16，最佳質量比為1∶16.82。

圖3 氨氮與氯胺濃度與加氯量關系

3.3 原水氨氮濃度為50 mg/L時的最佳投配比

分析數據可知，當原水濃度為50 mg/L，次氯酸鈉投加量約2.0 mL時，水中氨氮濃度基本降為最低值，此時化合性余氯含量最高，不是最佳投加點。當繼續投加次氯酸鈉時，氨氮含量基本不再降低，氯胺的含量繼續下降到B點時(如圖4所示)，此時水中氨氮含量最低，且氯胺含量相對較少。為了減少二次污染和處理成本，建議B點為最佳投加點。通過綜合分析，取3.0 mL為次氯酸鈉最佳投加量，則去除氨氮與投加次氯酸鈉的摩爾比為1∶3.157，最佳質量比為1∶16.80。

圖4 氨氮與氯胺濃度與加氯量關系

3.4 不同氨氮濃度的最佳投配比

本實驗采用氨氮含量為2～100 mg/L之間的原水，進行多組對比實驗分析，具體數據如圖5所示，大量數據擬合后得到一個最佳摩爾比為1∶3.2，即最佳質量投加比為1∶17.03，去除1 mg/L的氨氮需要投加17.03 mg/L的純次氯酸鈉。將本實驗的最佳投加量運用到實踐中，均能夠完全去除水中的氨氮含量，且能夠有效控制余氯的影響，避免二次污染。

圖5 不同氨氮濃度對應的最佳投配比擬合情況

3.5 pH值對處理效果的影響

圖6 pH值對處理效果的影響

4 工程應用

應用一：山東省聊城市某化工廠是一家生產電解鋁的大型企業，生產廢水中含有大量的污染物，廢水多年來排入附近河道，嚴重破壞河道的生態系統。水中氨氮含量達到40 mg/L，冬季氣溫較低，為了應急治理河道中高氨氮污染問題，采用折點加氯法去除水中氨氮。經過一個月左右的時間治理，水中氨氮濃度基本維持在2 mg/L以下，取得很好的去除效果。

應用二：南京市江寧區某黑臭河道，水中氨氮高達20 mg/L左右。原采取一體化環保設備進行處理，水中氨氮含量檢測始終不達標。為了快速高效地去除高濃度氨氮污染，采用折點加氯法，選取最佳投加量，在短時間內就將氨氮降到5 mg/L以下，再輔以生態修復的方法，整體取得了很好的去除效果。

5 結果與展望

(1)本實驗通過大量實驗來擬合確定折點加氯法的最佳投氯量，當氨氮濃度與純次氯酸鈉質量比為1∶17.03時，可以完全去除廢水中的氨氮，可很好地控制水中余氯含量且處理成本低。

(2)物理法處理高氨氮廢水一般作為預處理工程[10]，通常需要根據具體污水情況來綜合分析，一般可以采用多種技術綜合處理[11～13]。折點加氯法去除氨氮可以作為一種應急措施，例如河道的突發性污染，可以短時間內高效去除氨氮，再結合生物處理方法，通過物化和生物處理有效結合，可取得很好的去除效果且運行成本最低[14]。

(3)折點加氯去除氨氮可達到90%～100%，處理效果穩定，不受水溫影響，投資較少，運行成本低。