超重力技術處理高濃度氨氮廢水的中試研究

羅 軍，賴祖明，張 歡

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

隨著我國城鎮化的不斷加快和經濟的快速發展，日益嚴峻的環境問題需要亟待改善和解決。其中，高濃度氨氮廢水由于來源廣、成分復雜、處理成本大等不利因素成為水體污染和生態環境破壞的重要原因。多年來，科學工作者們緊緊圍繞高效、節能、資源化等方面對高濃度氨氮廢水的處理進行了深入的研究與探索。目前，傳統的高濃度氨氮廢水的處理主要還是采用以空氣為氣提劑的吹脫法，該法具有操作簡單、易于控制，運行成本低等優點[1]。但氨氮廢水的吹脫一般采用塔設備作為吹脫設備，存在體積龐大、效率低、吹脫所需動力消耗大等缺點[2]。

從20世紀80年代開始，我國科研人員開始對超重力技術進行研究，并形成了豐富的理論成果和良好的工程應用。超重力技術作為一種新型的強化傳質過程的技術[3]，已廣泛運用于多個領域。采用超重力設備——超重機替代傳統的吹脫塔，不論是從理論角度還是從工程應用角度來講都具有重大意義。焦緯洲等[4]運用超重力技術處理焦化氨氮廢水，單級脫氮率比傳統塔設備吹脫法高35%。筆者在江西耐可化工設備填料有限公司采用超重力技術對高濃度氨氮廢水進行了中試研究，同樣取得了良好的處理效果，為含有高濃度氨氮的稀有金屬廢水處理嘗試了另一種途徑，并為工業化應用提供了參考數據。

1 氨氮廢水的處理技術和研究進展

按有關濃度劃分原則，NH3-N 質量濃度在500 mg/L以上[5]的生活污水和工業廢水屬于高濃度的氨氮廢水。目前，高濃度氨氮廢水的脫氮主要采用物化法和新型生物脫氮法。其中，因經濟成本等因素，物化法通常用于高濃度氨氮廢水的預處理，其主要包括吹脫法、化學沉淀法、濕式催化氧化法等。新型生物法則包括好氧反硝化、厭氧氨氧化、短程硝化反硝化與同時硝化反硝化等。國內外研究人員采用新型生物法對處理高濃度氨氮廢水進行了實驗研究[6-10]，發現相較于傳統生物法，具有脫氮效率高，經濟，外加碳源少等優點，但同樣存在菌種保持率低、易受溫度影響、操作過程復雜、控制難度高等不足。

2 超重力法的特點與處理高濃度氨氮廢水原理

2.1 超重力法的特點與應用

目前，超重力技術廣泛應用于眾多領域，在油田注水脫氧[11]、氨氮廢水處理[12]、廢氣中SO2和H2S 的脫除[13]、納米材料的制備[14-16]、強化除塵過程和強化生化反應過程[13]等方面都取得了可喜的成果。與傳統吹脫法相比，超重力法吹脫氨氮廢水具有氣相動力消耗小；氨氮去除率高；設備體積小、運行穩定且操作彈性大；氣液比小，利于氨回收；能增加水中溶解氧等特點，工程化應用效果顯著，具有廣泛的工業化應用前景。

2.2 超重力法處理高濃度氨氮廢水原理

超重力工程技術的基本原理是利用超重力條件下多相流體系的獨特流動行為，強化相與相之間的相對速度和相互接觸，從而實現高效的傳質傳熱過程和化學反應過程。運用超重力技術處理高濃度氨氮廢水就是根據吹脫法的基本原理，采用超重力設備——超重機替代傳統的吹脫塔，利用超重機產生的超重力場使氨氮分子在氣液相間快速擴散和傳質，從而達到強化傳質過程和多相反應過程的目的。

3 實驗流程與方法

3.1 實驗流程

實驗流程如圖1所示，外界進水進入均質桶進行調節均質，然后在輸液泵的作用下經流量計計量后通過進水管進入超重機處理。

圖1 實驗流程圖

3.2 氨氮測定方法

本實驗氨氮濃度的測定基于納氏試劑分光光度法，由氨氮測定儀直接測定。

4 實驗結果與討論

4.1 pH 對脫氮效果的影響

實驗氨氮廢水的質量濃度為10 090 mg/L，實驗條件為廢水溫度40℃，氣液比為3000，電機轉數1400r/min。調節廢水溶液的pH 為9、10、11、12、13 后進行單級處理，分別測定其脫氮率，實驗結果如圖2所示。

如前所述，氨氮廢水中氨氮的存在形式主要受pH影響。有研究表明，當pH 為11 左右時，游離氨（NH3）所占比例能達到90%以上。由圖2也可以看出，氨氮脫除率隨pH 的上升而提高，尤其是當pH 從9 上升到11 時，單位pH 升高范圍內脫氮率增長速率比其他區段都要快，當pH=13 時，氨氮脫除率達到81.4%。由此可以得出pH 是影響脫氮效率的關鍵因素，結合所用的實際工程廢水pH 為12、13，從處理效果和實際條件2 個方面來綜合考慮，選取廢水溶液pH=13 時較好。

圖2 pH 對脫氮效率的影響

4.2 廢水溫度對脫氮效果的影響

圖3是在pH=13，氣液比3000，電機轉數1400r/min的實驗條件下，廢水溫度對氨氮脫除率的影響（實驗氨氮廢水的質量濃度為11 033 mg/L）。

由圖3可知，隨著廢水溫度的升高，氨氮的脫除率也隨之提高。這主要存在2 個方面的原因：一方面游離氨的生成反應是吸熱反應，升高溫度，有利于水中游離氨濃度的增加，同時增大氨氣在水中的擴散系數，增加了傳質系數。另一方面，溫度的提高使氨在水中的溶解度降低，增加了傳質推動力[17]。考慮到隨著溫度的升高，氨氮的脫除率增長幅度不斷縮窄，實際廢水的溫度在40～45 ℃之間，所以結合實驗結果廢水溫度選取40 ℃比較合適。

圖3 溫度對脫氮效率的影響

4.3 電機轉速對脫氮效果的影響

在pH=13，溫度40 ℃，氣液比3 000 的實驗條件下，考察電機轉速對氨氮脫除率的影響（實驗氨氮廢水的質量濃度為10 980 mg/L），實驗結果如圖4所示。

圖4 電機轉速對脫氮效率的影響

由圖4可以發現：氨氮的脫除率隨轉速的提高是增加的，特別是當轉速在280～840 r/min 區間段內，氨氮脫除率上升的幅度較大。超重力場之所以和普通重力場相比具有強化氣液間傳質過程的特點，是因為在超重力場中氣液受到比在普通重力場中大的多的離心力，使氣液在高速湍動下接觸，從而達到提高傳質效率的目的。超重力因子是用來衡量超重力場強弱的一個無因次量[18]，是平均離心加速度與常重力加速度之比，大小與電機轉動角速度的平方成正比，因此提高轉速能增大超重力因子。超重力因子增大，則所受到的剪切力增大，巨大的剪切力使液膜的表面更新加快，增大了氣液接觸面積，從而極大地強化了氣液間的傳質過程，增加了氨氮的脫除率。鑒于轉速超過840 r/min 后氨氮脫除率上升曲線漸趨平穩，以及經濟成本等原因，因此轉速在1 400 r/min 比較合適。

5 結論

（1）在pH=13，溫度40 ℃，氣液比3 000，電機轉數1 400 r/min 的實驗條件下，單級處理的脫氮率能達到80%多。

（2）與傳統吹脫塔處理高濃度氨氮廢水相比，超重力技術具有脫除率高、運行方便，基建費用低等優點，可以作為二級處理使用。

（3）通過中試實驗研究出超重力技術處理高濃度氨氮廢水的適宜條件，為工業化應用與示范化推廣提供參考數據。