影響解氨劑-吹脫法處理高濃度氨氮廢水的單因素實驗研究

羅 軍，張 歡，賴祖明

（1.江西現代職業技術學院 建筑工程學院，江西 南昌 330013；2.南昌市燃氣集團有限公司，江西 南昌 330013；3.江西耐可化工設備填料有限公司，江西 萍鄉 337005）

隨著我國工業化與城市化進程的不斷加快，伴隨而來的環境污染問題日益嚴峻。其中，氮是造成水體富營養化和環境污染的重要元素，其主要來源于化工廢水、化肥廢水、焦化廢水、味精廢水、垃圾滲濾液和養殖廢水等。高濃度氨氮廢水造成以氮源為營養物質的藻類植物大量繁殖，嚴重時水中溶解氧急劇下降，大量魚類死亡，致使水體平衡失穩，生態環境遭受破壞。近二三十年來，國內外在高濃度氨氮廢水的處理方面開展了大量的研究，在圍繞科學高效、經濟環保、資源回收和出水穩定等方面形成了豐富的理論知識和不斷完善的工藝技術，并對今后高濃度氨氮廢水的處理指明了方向。

高濃度氨氮廢水由于其來源廣、排放量大及處理成本高等特點成為一種較難處理的工業廢水。目前常采用吹脫法處理高濃度氨氮廢水，但也存在出水氨氮濃度高，不能滿足高效、經濟和節能的治理目標。新型生物法近年發展較快，涌現出多種新型生物脫氮理論，主要代表為厭氧氨氧化、同時硝化反硝化、短程硝化反硝化等，并出現多種與之相應的新型脫氮工藝[1-3]。但是新型生物脫氮機理及動力方程等方面都需進一步的深入研究，為新型生物脫氮的工業化應用提供設計參數[4]。

復合解氨劑吹脫法是在吹脫法的基礎上，通過加入一種復合解氨劑來提高脫氮率的一種方法，通過實驗研究證明解氨劑在聯合吹脫法處理高濃度氨氮廢水中的促進作用，并通過研究多個單因素pH、吹脫時間、氣液比和解氨劑投加量等對氨氮脫除效率的影響，得出解氨劑協同吹脫法處理高濃度氨氮廢水的最佳工藝參數，為之后工業化應用實驗研究打下基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗用水

本實驗以模擬氨氮廢水為研究對象，稱取38.215 0 g經100℃干燥過的優級純氯化銨溶于水中，移入1 000 mL的容量瓶中定容，則此溶液中氨氮濃度約為10 000 mg/L。實驗中以實測濃度為準。

1.2 實驗藥劑與設備

本實驗所用的主要藥劑與實驗儀器見表1。其中解氨劑采用江西耐可化工設備填料有限公司生產的復合材料。

表1 試驗儀器與藥劑一覽表

1.3 實驗設備與試驗步驟

實驗設備如圖1所示。將300 mL的燒杯用作吹脫反應儀器，在燒杯中加入100 mL的模擬高濃度氨氮廢水，再將一定量的氫氧化鈉和一定質量的解氨劑放入溶液中，分別用于調節pH值和藥劑反應。等混合搖勻充分溶解反應后放入恒溫搖床，通過恒溫水浴鍋調節氨氮廢水的溫度，最后往燒杯溶液中放入曝氣口，打開曝氣開關進行曝氣，模擬吹脫反應。反應結束后停止曝氣，測定反應后的氨氮廢水剩余濃度，同時計算氨氮脫除率。

圖1 實驗設備原理圖

1.4 氨氮測定方法

本實驗采用納氏試劑分光光度法測定氨氮濃度，由氨氮測定儀直接測定。

2 實驗結果與討論

2.1 吹脫時間對氨氮脫除效果的影響

在pH=11，平均溫度為35℃，解氨劑的投加量為50 mg/L，氣液比為2 500的實驗條件下，吹脫時間設定為0，20，40，60，80，100，120 min。實驗結果如圖2所示。（氨氮廢水初始濃度為10 280 mg/L）

圖2 吹脫時間對氨氮脫除效率的影響

由圖2可知，當時間從0上升到20 min時，脫氮率也隨之從36%上升到79.1%，增長了一倍多。并且隨著時間的不斷延長，脫氮率保持不斷上升的趨勢，最終在60 min時達到最大，脫氮率近乎96%。此后隨著吹脫時間的進一步提高，脫氮率有所輕微下降，但幾乎保持穩定，維持在92%以上。由此說明吹脫時間是影響脫氨效果的一個關鍵因素。吹脫法處理氨氮廢水實質是氣液傳質過程[5]，廢水中氨與空氣中氨形成的濃度差會產生傳質推動力，推動力促使廢水中的游離氨持續地由液相轉移到氣相中，最終形成脫除廢水中氨氮的現象。因此，延長吹脫時間能有效增加NH3-N的傳質效率，提高脫氮率。至于當吹脫時間超過60 min脫氮率有所下降，主要原因在于氣液兩相在傳質過程中不斷趨于平衡，導致傳質推動力不斷減弱，氨氮去除率在單位時間內出現下降，由此發現氨氮去除率在后期不會與吹脫時間成正比[6]。此外，在吹脫后期，廢水的蒸發量大于氨的脫出量，最終導致廢水的氨氮濃度有所升高。所以，本實驗選擇吹脫60 min為最佳反應條件。

2.2 氣液比對氨氮脫除效果的影響

在pH=11，平均溫度為35℃，解氨劑的投加量為50 mg/L，吹脫時間1 h的實驗條件下，通過改變曝氣率來研究氣液比（氣液比=曝氣速率×吹脫時間÷吹脫水量）對氨氮脫除效果的影響。實驗結果如圖3所示。（氨氮廢水初始濃度為9 500 mg/L）

圖3 氣液比對氨氮脫除效率的影響

由圖3可知，增加氣液比能有效提高氨氮脫除率，氣液比增加能使氣液兩相的接觸機會增加，提高傳質效率。此外，增加氣液比能減少氣相中氨的濃度，從而使氣液間氨的傳質推動力增加，促使氨從水中吹脫出來。

在實驗與實際工藝運行過程中，增加氣液比所需的能耗也增加。因此應將能耗與脫氮效率綜合考慮來決定氣液比大小。從本實驗結果發現在氣液比2 500時，脫氮效率達到最大，達到96.9%。進一步增加氣液比脫氮率有小幅下降，所以氣液比選擇2 500是最合適的。

2.3 解氨劑投加量對氨氮脫除效果的影響

如前所述，吹脫法處理氨氮廢水實質是氣液傳質過程[5]。近年來國內外研究人員發表不少關于表面活性劑改變傳質膜系數的文章，并從傳質機理、特性等方面進行了研究[7-9]，證實表面活性劑在吹脫法處理氨氮廢水過程中具有協同作用，能進一步提高氨氮脫除率。本實驗采用江西耐可化工設備填料有限公司提供的解氨劑是以表面活性劑為主摻雜其他組份復配而成，并對其進行研究。在pH=11，平均溫度為35℃，吹脫時間1 h，氣液比為2 500的實驗條件下，研究解氨劑的投加量對氨氮脫除效率的影響，實驗結果如圖4所示。（氨氮廢水初始濃度為10 220 mg/L）

圖4 解氨劑投加量對氨氮脫除效率的影響

由圖4可知，投加劑的量從0～50 mg/L時，脫氮率隨著投加劑的量增加而升高，并在50 mg/L時達到最大，脫氮率為96.4%。因此，本實驗選擇解氨劑50 mg/L為最佳反應條件。當投加劑的量進一步增加時，脫氮率反而下降，這主要是由于解氨劑的投加量過高時，會達到膠束濃度[6]，在液面形成一層很厚的泡沫層，泡沫過多會增大液膜阻力，阻礙氣液傳質，進而導致氨氮脫除率降低。

3 結論

（1）通過本實驗得出復合解氨劑結合吹脫法處理高濃度氨氮廢水具有高效、經濟成本低、運行簡單等特點。

（2）在pH、溫度、氣液比、吹脫時間等其他影響因素一定的情況下，加入適量的復合解氨劑能顯著改善脫氮效果，脫氮率可提高十個百分點左右。

（3）在pH=11，溫度35℃，吹脫時間1 h，氣液比為2 500，解氮劑的投加量50 mg/L的實驗條件下，氨氮去除率接近99%。

（4）通過實驗得出的最佳反應條件，可以為工業化應用與示范化推廣提供數據參考。