【摘 要】隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的進(jìn)程，廢水的排放量也急劇增加，其中，水體中的氨氮污染是水污染中最常見、來源最廣泛的污染，已引起國內(nèi)外社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

【關(guān)鍵詞】吹脫法 影響因素 正交試驗(yàn) 響應(yīng)面

我國“十二五”國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃綱要里，就提出了控制氨氮污染排放的規(guī)劃，明確提出氨氮減排10%的目標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)際水樣為生物法處理后的丙烯腈廢水，水中氨氮含量為390～450mg/L，未符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，采用吹脫法去除水中超標(biāo)的氨氮。試驗(yàn)研究了吹脫時(shí)間、廢水溫度、廢水初始pH值、氣體流量等影響因素對吹脫法脫氮的效率的影響，并通過正交試驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析了吹脫法脫氮的最佳工藝條件。

1 研究背景

1.1 氨氮廢水的污染現(xiàn)狀

氮在廢水中以有機(jī)態(tài)氮、分子態(tài)氮、硝態(tài)氮（NO3-N）、氨態(tài)氮（NH4+-N）、亞硝態(tài)氮（NO2-N）及氰化物和硫氰化物等多種形式存在，而氨氮是最重要的存在形式之一。廢水中的氨氮主要以氨離子（NH4+）存在，是水體富營養(yǎng)化和環(huán)境污染的一種主要污染物質(zhì)，也是最難降解及去除的成分。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的進(jìn)程，化肥、石油化工等行業(yè)的迅速發(fā)展壯大，對水的需求量在不斷地增大，由此產(chǎn)生的是廢水的排放量也急劇增加，這不僅成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素，也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。其中，水體中的氨氮污染是水污染中最常見、來源最廣泛的污染。因此，當(dāng)前環(huán)保工作者研究的重要課題就是經(jīng)濟(jì)有效的控制高濃度氨氮的污染，我國“十二五”國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃綱要里，就提出了控制氨氮污染排放的規(guī)劃，明確提出氨氮減排10%的目標(biāo)，明顯可以看出現(xiàn)在氨氮已成為繼COD后的全國主要水污染排放的約束性控制指標(biāo)。公眾的環(huán)保意識(shí)不斷的增強(qiáng)，政府和國家對環(huán)境問題的重視，使得水體中氨氮的污染被廣泛關(guān)注。

1.2 氨氮廢水的來源

人類活動(dòng)和自然過程兩個(gè)方面是水體中含氮物質(zhì)主要來源和途徑。含氮物質(zhì)進(jìn)入水體的自然過程和來源主要包括生物固氮、非市區(qū)徑流和降水降塵等。另一方面，水體中含氮物質(zhì)來源和途徑是人類活動(dòng)，主要包括處理過或未處理的城市生活污水、工業(yè)廢水、各種地表徑流和浸濾液等。其中，水體中含氮物質(zhì)的來源之一也是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大規(guī)模的使用人工合成的化學(xué)肥料，農(nóng)田排水和雨水沖刷，使大部分農(nóng)作物沒用充分利用的化肥，流入了地下水和地表水中，污染了水體。

1.3 氨氮廢水的危害

水體中的氨氮是指以氨（NH3）或銨（NH4+）離子形式存在的化合氨。各類型氮的化合物中，氨氮是最危害環(huán)境的類型，也是水體受到污染的標(biāo)志，氨氮對水生態(tài)環(huán)境的危害表現(xiàn)在多個(gè)方面。

（1）與COD一樣，氨氮也是水體中的主要耗氧污染物。由于湖泊是相對封閉的生態(tài)系統(tǒng)，沉積底泥量較河流大，氨氮氧化會(huì)造成水體中溶解氧濃度降低，導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭，引起水體水質(zhì)下降，對水生動(dòng)植物的生存造成不利影響?；蛘咴孱惐┌l(fā)致使水體缺氧時(shí)，均易導(dǎo)致底泥厭氧發(fā)酵，會(huì)再次產(chǎn)生氨氮，使湖泊的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入惡性循環(huán)。（2）水體中含有的氨氮含量過高，會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，會(huì)造成重大的危害。由于氮的存在，會(huì)致使光合微生物（大多數(shù)為藻類）的數(shù)量急劇增加，增加了水體富營養(yǎng)化發(fā)生的幾率；由于藻類的腐爛，使水體中出現(xiàn)氧虧現(xiàn)象；由于藍(lán)-綠藻類產(chǎn)生的毒素，家畜損傷，魚類死亡；藻類代謝的最終產(chǎn)物可產(chǎn)生引起有色度和味道的化合物。（3）NH4+-N和氯反應(yīng)會(huì)生成氯胺，氯胺的消毒作用比自由氯小，因此當(dāng)有NH4+-N存在時(shí)，水處理廠將需要更大的加氯量，造成給水消毒和工業(yè)循環(huán)水殺菌處理過程中增大用氯量，從而增加處理成本，促進(jìn)輸水管道和用水設(shè)備中微生物的繁殖形成污垢，堵塞管道和用水設(shè)備，影響換熱效率。

本文中介紹氨氮廢水的處理技術(shù)主要有生物法處理、物理化學(xué)處理法、生化聯(lián)合法處理。具體方法及研究現(xiàn)狀如下：

2 生物法

微生物去除氨氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成N2和N2O氣體的過程，包括硝化和反硝化兩個(gè)階段。其中第一階段為硝化過程，硝化菌和亞硝化菌在有氧的條件下，主要是將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的過程，即將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-的過程；第二階段為反硝化過程，在無氧或低氧條件下，污水中的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮被反硝化菌（異養(yǎng)型兼厭氧細(xì)菌）還原轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程。反硝化過程中，反硝化細(xì)菌在缺氧條件下，利用各種各樣的有機(jī)底物（碳源）作為反硝化過程中的電子供體，主要包括醇類、碳水化合物、有機(jī)酸等。

2.1 A/O工藝

A/O工藝是將前段缺氧段和后段好氧段串聯(lián)在一起，A/O工藝的特點(diǎn)是污水先進(jìn)入缺氧池，污水中的有機(jī)碳被反硝化菌所利用，可減輕其后好氧池的有機(jī)負(fù)荷，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可以補(bǔ)償好氧池中進(jìn)行硝化反應(yīng)對堿度的需求。好氧在缺氧池之后，可以使反硝化殘留的有機(jī)污染物得到進(jìn)一步去除，提高出水水質(zhì)。由于A/O工藝比較簡單，也有其突出的特點(diǎn)，目前仍是比較普遍采用的工藝。

2.2 A2/O工藝

A2/O工藝比A/O工藝在缺氧段前面多加了一個(gè)厭氧段，即生物池通過曝氣裝置分成厭氧段、缺氧段、好氧段，工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 A2/O工藝流程圖

在該工藝流程內(nèi)，廢水中的SS、BOD5、氮和磷均能被去除。A2/O生物脫氮除磷系統(tǒng)的活性污泥中，菌群主要由聚磷菌和反硝化菌、硝化菌組成。在厭氧段，聚磷菌釋放磷，并吸收低級(jí)脂肪酸等易降解的有機(jī)物；在缺氧段，反硝化細(xì)菌將內(nèi)回流帶入的硝酸鹽通過生物反硝化作用，轉(zhuǎn)化成氮?dú)庖萑氲酱髿庵?，從而達(dá)到脫氮的目的；而在好氧段，硝化細(xì)菌將入流中的氨氮及有機(jī)氮氨化成的氨氮，通過生物硝化作用，轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，同時(shí)聚磷菌超量吸收磷，并通過剩余污泥的排放，將磷除去。

2.3 厭氧氨氧化法

厭氧氨氧化是指在無氧或厭氧的反應(yīng)條件下，以自養(yǎng)型厭氧氨氧化細(xì)菌為代表的微生物，直接以NH4+為電子供體，以NO3-或NO2-為電子受體，將NO3-、NO2-或NH4+轉(zhuǎn)變成N2的生物氧化過程。厭氧氨氧化工藝具有以下的優(yōu)點(diǎn)：免去反硝化反應(yīng)的外源電子供體；氨厭氧氧化的生物產(chǎn)酸和產(chǎn)堿量大幅下降，可節(jié)省傳統(tǒng)硝化反硝化反應(yīng)過程中所需的中和試劑；可以大幅度地降低硝化反應(yīng)的充氧能耗；產(chǎn)生的污泥量極少。該工藝的缺點(diǎn)是是：厭氧氨氧化的反應(yīng)容器體積較大。

2.4 短程硝化反硝化法

生物硝化反硝化是去除水中氨氮的一種較為經(jīng)濟(jì)的方法，也是應(yīng)用最廣泛的脫氮方式，其原理就是模擬自然生態(tài)環(huán)境中氮的循環(huán)，利用反硝化菌和硝化菌的聯(lián)合作用，將水體中氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓赃_(dá)到脫氮目的。因?yàn)榘钡趸^程中需要大量的氧氣，所以這種脫氮方式的主要開支就是曝氣費(fèi)用。短程硝化反硝化是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后進(jìn)行反硝化，即反硝化反應(yīng)時(shí)以NO2-為電子受體。實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化生物脫氮技術(shù)的關(guān)鍵就是將硝化控制在亞硝酸階段，阻止亞硝酸鹽的進(jìn)一步氧化。

3 物理化學(xué)法

3.1 離子交換法

離子交換法的原理就是廢水中的其它同性離子和離子交換劑（不溶性離子化合物）上的可交換離子的交換反應(yīng)，這是一種比較特殊的吸附過程，并且通常都是可逆性的化學(xué)吸附過程。沸石是應(yīng)用最廣泛的離子交換劑，它是一種天然的離子交換物質(zhì)。沸石的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陽離子交換樹脂的成本，并且沸石含有較大的陽離子交換容量，對NH4+-N具有選擇性的吸附能力。沸石作為具有特殊的離子交換特性的離子交換劑，對各個(gè)離子的選擇交換順序如下：Cs（Ⅰ）>Rb（Ⅰ）>K（Ⅰ）>NH4+>Sr（Ⅰ）>Na（Ⅰ）>Ca（Ⅱ）>Fe（Ⅲ）>Al（Ⅲ）>Mg（Ⅱ）>Li（Ⅰ）。實(shí)際工程應(yīng)用過程中，將廢水pH值調(diào)整到6～9之間，對除了Mg以外的堿土金屬、堿金屬中都有影響，特別是Ca對沸石的離子交換能力的影響要比K和Na對沸石離子的交換能力的影響更大；對重金屬基本沒有影響。沸石吸附飽和就不再進(jìn)行吸附，但經(jīng)過再生都依舊能夠使用，故其成本較小。吸附再生的方法一般是用再生液法，再生液大多數(shù)采用NaCl和NaOH。由于廢水中含有Ca2+，致使沸石對氨的去除率呈不可逆性的降低，要考慮補(bǔ)充和更新。

3.2 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是往水中投加某種化學(xué)藥劑（一般投加鎂的化合物和磷酸氫鹽或磷酸），與水中的溶解性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成難溶于水的鹽類，形成沉渣易去除，從而降低水中溶解性物質(zhì)的含量。當(dāng)廢水中含有NH4+時(shí)，可加入Mg2+和PO43-離子，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下反應(yīng)： Mg2+ + PO43- +NH4+ → MgNH4PO4↓，從化學(xué)式可知生成了難溶于水的沉淀物，以此來達(dá)到去除水中氨氮的目的。實(shí)際工程應(yīng)用中，經(jīng)常使用的沉淀劑是H3PO4和Mg（OH）2，應(yīng)用時(shí)，投加質(zhì)量比H3PO4/Mg（OH）2為1.5～3.5，pH值在9.00～11.00之間。當(dāng)廢水中的氨氮濃度低于900mg/L時(shí)，去除率高達(dá)90%，并且MgNH4PO4沉淀物是一種很好的復(fù)合肥料，所以化學(xué)沉淀法也是比較常見的去除法。但是H3PO4和Mg（OH）2的價(jià)格比較貴，使運(yùn)行成本增大，而且向廢水中加入了PO43-，容易造成二次污染，所以化學(xué)沉淀法一般用于處理高濃度氨氮廢水。

3.3 催化濕式氧化法

催化濕式氧化法是20世紀(jì)80年代國際上發(fā)展起來的一種治理廢水的新技術(shù)。在一定溫度、壓力和催化劑作用下，經(jīng)空氣氧化，可使污水中的有機(jī)物和氨分別氧化分解成CO2、N2和H2O等無害物質(zhì)，達(dá)到凈化的目的。催化濕式氧化法具有以下優(yōu)點(diǎn)：流程簡單、凈化效率高（廢水經(jīng)凈化后可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)）、占地面積少等。目前催化濕式氧化法的催化劑基本都是液相完全氧化催化劑，主要有稀土、貴金屬、復(fù)合氧化物、過渡金屬及其氧化物和鹽類等。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，催化濕式氧化法的建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用只有常規(guī)方法的60%，所以該法具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

3.4 超臨界水氧化法

超臨界水氧化法把溫度和壓力升高到水的臨界點(diǎn)以上，該狀態(tài)的水就稱為超臨界水。在此狀態(tài)下水的粘度、密度、擴(kuò)散系數(shù)、介電常數(shù)、溶劑化學(xué)性能和電導(dǎo)率都不同于普通水。較高的反應(yīng)溫度（400～600 ℃）和壓力也使反應(yīng)速率加快，可以在幾秒鐘內(nèi)對有機(jī)物達(dá)到很高的破壞效率。由于超臨界水對有機(jī)物和氧氣均是極好的溶劑，因此有機(jī)物的氧化可以在富氧的均一相中進(jìn)行，反應(yīng)不存在因需要相問轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的限制。同時(shí)，400～600℃的高反應(yīng)溫度也使反應(yīng)速度加陜，可以在幾秒鐘內(nèi)達(dá)到對有機(jī)物很高的破壞作用。有機(jī)物在超臨界水中進(jìn)行的氧化反應(yīng)，可以簡單表示為：酸+Na0H→ 無機(jī)物，超臨界水氧化反應(yīng)完全徹底：氮轉(zhuǎn)化為硝酸根和亞硝酸根離子或氮?dú)猓瑲滢D(zhuǎn)化為H2O，有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2，硫和磷分別轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和磷酸鹽，鹵素原子轉(zhuǎn)化為鹵離子。而且超臨界水氧化反應(yīng)在某種程度上和簡單的燃燒過程相似，在氧化過程中釋放出大量的熱量。

4 生化聯(lián)合法

通過對以上各種方法的對比可知，生物脫氮具有較好的處理效果，無二次污染，并且其操作管理均比較簡便，但其也會(huì)因?yàn)閬喯跛猁}氮或者高濃度游離氨而受到抑制。而物化方法在處理高濃度氨氮廢水時(shí)，不受氨氮濃度過高的限制，但是物化法處理氨氮廢水時(shí)，一般達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。所以實(shí)際應(yīng)用中，可以采用生化聯(lián)合的方法對廢水進(jìn)行處理，為了減輕生物處理的負(fù)荷，可以在生物處理之前，先對廢水進(jìn)行預(yù)處理，即物化處理。

4.1 生物活性炭流化床

流化床反應(yīng)器是一種實(shí)現(xiàn)固體顆粒與氣相、液相、氣液相之間的混合傳質(zhì)、傳熱的設(shè)備。它與傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器不同，床內(nèi)固體微粒始終懸浮于液（氣）體中并劇烈運(yùn)動(dòng)，具有類似液體的自由流動(dòng)性，從而大大強(qiáng)化了物質(zhì)的擴(kuò)散過程，提高了反應(yīng)速度，對于催化劑壽命較短或頻繁再生的場合更具優(yōu)越性，這使流態(tài)化得以在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。

4.2 膜-生物反應(yīng)器技術(shù)

膜-生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor，MBR）為膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)臺(tái)的新型水處理技術(shù)，以膜組件取代二沉池在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設(shè)施占地，并通過保持低污泥負(fù)荷減少污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子固體物。因此系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至10，000mg/L，污泥齡（SRT）可延長30天以上，于如此高濃度系統(tǒng)可降低生物反應(yīng)池體積，而難降解的物質(zhì)在處理池中亦可不斷反應(yīng)而降解。

5 結(jié)語

通過采用的吹脫法處理丙烯腈廢水的靜態(tài)試驗(yàn)研究，要確實(shí)找到一種能適合用于處理高濃度氨氮廢水的切實(shí)可行的反應(yīng)條件，并且利用正交試驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的研究，分析吹脫效率的影響因素的主次關(guān)系，并優(yōu)化工藝參數(shù)。同時(shí)根據(jù)本試驗(yàn)的結(jié)果，為今后處理高濃度氨氮廢水的實(shí)驗(yàn)研究乃至工業(yè)應(yīng)用提供可行的數(shù)據(jù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)氨氮廢水中氨氮含量達(dá)標(biāo)排放的要求。

作者簡介：王紫燕（1973—），女，寧夏銀川人，本科，畢業(yè)于寧夏大學(xué)，工程師，研究方向：環(huán)境工程。