羅 軍，張 歡，賴祖明

（1.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.南昌市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，江西 南昌 330013；3.江西耐可化工設(shè)備填料有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337005）

隨著我國工業(yè)化與城市化進(jìn)程的不斷加快，伴隨而來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。其中，氮是造成水體富營養(yǎng)化和環(huán)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(yǎng)殖廢水等。高濃度氨氮廢水造成以氮源為營養(yǎng)物質(zhì)的藻類植物大量繁殖，嚴(yán)重時(shí)水中溶解氧急劇下降，大量魚類死亡，致使水體平衡失穩(wěn)，生態(tài)環(huán)境遭受破壞。近二三十年來，國內(nèi)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(xué)高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、資源回收和出水穩(wěn)定等方面形成了豐富的理論知識(shí)和不斷完善的工藝技術(shù)，并對(duì)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(diǎn)成為一種較難處理的工業(yè)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(jīng)濟(jì)和節(jié)能的治理目標(biāo)。新型生物法近年發(fā)展較快，涌現(xiàn)出多種新型生物脫氮理論，主要代表為厭氧氨氧化、同時(shí)硝化反硝化、短程硝化反硝化等，并出現(xiàn)多種與之相應(yīng)的新型脫氮工藝[1-3]。但是新型生物脫氮機(jī)理及動(dòng)力方程等方面都需進(jìn)一步的深入研究，為新型生物脫氮的工業(yè)化應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參數(shù)[4]。

復(fù)合解氨劑吹脫法是在吹脫法的基礎(chǔ)上，通過加入一種復(fù)合解氨劑來提高脫氮率的一種方法，通過實(shí)驗(yàn)研究證明解氨劑在聯(lián)合吹脫法處理高濃度氨氮廢水中的促進(jìn)作用，并通過研究多個(gè)單因素pH、吹脫時(shí)間、氣液比和解氨劑投加量等對(duì)氨氮脫除效率的影響，得出解氨劑協(xié)同吹脫法處理高濃度氨氮廢水的最佳工藝參數(shù)，為之后工業(yè)化應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用水

本實(shí)驗(yàn)以模擬氨氮廢水為研究對(duì)象，稱取38.215 0 g經(jīng)100℃干燥過的優(yōu)級(jí)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(shí)驗(yàn)中以實(shí)測(cè)濃度為準(zhǔn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)藥劑與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用的主要藥劑與實(shí)驗(yàn)儀器見表1。其中解氨劑采用江西耐可化工設(shè)備填料有限公司生產(chǎn)的復(fù)合材料。

表1 試驗(yàn)儀器與藥劑一覽表

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。將300 mL的燒杯用作吹脫反應(yīng)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(zhì)量的解氨劑放入溶液中，分別用于調(diào)節(jié)pH值和藥劑反應(yīng)。等混合搖勻充分溶解反應(yīng)后放入恒溫?fù)u床，通過恒溫水浴鍋調(diào)節(jié)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(guān)進(jìn)行曝氣，模擬吹脫反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后停止曝氣，測(cè)定反應(yīng)后的氨氮廢水剩余濃度，同時(shí)計(jì)算氨氮脫除率。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖

1.4 氨氮測(cè)定方法

本實(shí)驗(yàn)采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮濃度，由氨氮測(cè)定儀直接測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 吹脫時(shí)間對(duì)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(shí)驗(yàn)條件下，吹脫時(shí)間設(shè)定為0，20，40，60，80，100，120 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。（氨氮廢水初始濃度為10 280 mg/L）

圖2 吹脫時(shí)間對(duì)氨氮脫除效率的影響

由圖2可知，當(dāng)時(shí)間從0上升到20 min時(shí)，脫氮率也隨之從36%上升到79.1%，增長(zhǎng)了一倍多。并且隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，脫氮率保持不斷上升的趨勢(shì)，最終在60 min時(shí)達(dá)到最大，脫氮率近乎96%。此后隨著吹脫時(shí)間的進(jìn)一步提高，脫氮率有所輕微下降，但幾乎保持穩(wěn)定，維持在92%以上。由此說明吹脫時(shí)間是影響脫氨效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。吹脫法處理氨氮廢水實(shí)質(zhì)是氣液傳質(zhì)過程[5]，廢水中氨與空氣中氨形成的濃度差會(huì)產(chǎn)生傳質(zhì)推動(dòng)力，推動(dòng)力促使廢水中的游離氨持續(xù)地由液相轉(zhuǎn)移到氣相中，最終形成脫除廢水中氨氮的現(xiàn)象。因此，延長(zhǎng)吹脫時(shí)間能有效增加NH3-N的傳質(zhì)效率，提高脫氮率。至于當(dāng)吹脫時(shí)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(zhì)過程中不斷趨于平衡，導(dǎo)致傳質(zhì)推動(dòng)力不斷減弱，氨氮去除率在單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)下降，由此發(fā)現(xiàn)氨氮去除率在后期不會(huì)與吹脫時(shí)間成正比[6]。此外，在吹脫后期，廢水的蒸發(fā)量大于氨的脫出量，最終導(dǎo)致廢水的氨氮濃度有所升高。所以，本實(shí)驗(yàn)選擇吹脫60 min為最佳反應(yīng)條件。

2.2 氣液比對(duì)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(shí)間1 h的實(shí)驗(yàn)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(shí)間÷吹脫水量）對(duì)氨氮脫除效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)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(jī)會(huì)增加，提高傳質(zhì)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(zhì)推動(dòng)力增加，促使氨從水中吹脫出來。

在實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工藝運(yùn)行過程中，增加氣液比所需的能耗也增加。因此應(yīng)將能耗與脫氮效率綜合考慮來決定氣液比大小。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在氣液比2 500時(shí)，脫氮效率達(dá)到最大，達(dá)到96.9%。進(jìn)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(duì)氨氮脫除效果的影響

如前所述，吹脫法處理氨氮廢水實(shí)質(zhì)是氣液傳質(zhì)過程[5]。近年來國內(nèi)外研究人員發(fā)表不少關(guān)于表面活性劑改變傳質(zhì)膜系數(shù)的文章，并從傳質(zhì)機(jī)理、特性等方面進(jìn)行了研究[7-9]，證實(shí)表面活性劑在吹脫法處理氨氮廢水過程中具有協(xié)同作用，能進(jìn)一步提高氨氮脫除率。本實(shí)驗(yàn)采用江西耐可化工設(shè)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(fù)配而成，并對(duì)其進(jìn)行研究。在pH=11，平均溫度為35℃，吹脫時(shí)間1 h，氣液比為2 500的實(shí)驗(yàn)條件下，研究解氨劑的投加量對(duì)氨氮脫除效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)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(shí)，脫氮率隨著投加劑的量增加而升高，并在50 mg/L時(shí)達(dá)到最大，脫氮率為96.4%。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇解氨劑50 mg/L為最佳反應(yīng)條件。當(dāng)投加劑的量進(jìn)一步增加時(shí)，脫氮率反而下降，這主要是由于解氨劑的投加量過高時(shí)，會(huì)達(dá)到膠束濃度[6]，在液面形成一層很厚的泡沫層，泡沫過多會(huì)增大液膜阻力，阻礙氣液傳質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致氨氮脫除率降低。

3 結(jié)論

（1）通過本實(shí)驗(yàn)得出復(fù)合解氨劑結(jié)合吹脫法處理高濃度氨氮廢水具有高效、經(jīng)濟(jì)成本低、運(yùn)行簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

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

（3）在pH=11，溫度35℃，吹脫時(shí)間1 h，氣液比為2 500，解氮?jiǎng)┑耐都恿?0 mg/L的實(shí)驗(yàn)條件下，氨氮去除率接近99%。

（4）通過實(shí)驗(yàn)得出的最佳反應(yīng)條件，可以為工業(yè)化應(yīng)用與示范化推廣提供數(shù)據(jù)參考。