吹脱法在PCB企业氨氮废水处理中的应用

2011-07-31江海清

印制电路信息 2011年9期

江海清何春

（深圳市深联电路有限公司，广东深圳 518000）

1 前言

国家污水排放标准GB8978-1996中氨氮的一级排放标准为15 mg/l，它的排放会使水体富营养化，生态紊乱。在线路板废水中，氨氮主要来源于蚀刻工序，因蚀刻液中含有高浓度的铜离子，具有很高的回收价值，很多企业都会将原蚀刻废液交由有资质的回收企业进行回收再利用，所以排放的氨氮废水主要来自于蚀刻工序的清洗废水，主要以游离氨、离子铵及[Cu(NH3)4]2+形式存在。为了以免混入综合废水，造成处理难度加大，成本升高，须先对其进行分流，统一排放到络合集水池单独处理。其中其氨氮的含量在100 mg/l ～ 150 mg/l之间，为了能使其达到排放标准，很多的企业都采用生化处理，在生化处理中，如何保证菌种的生长繁殖尤为重要。在此，本文则推荐一种适于本行业中小企业且较为经济的吹脱法处理工艺，并对其在氨氮废水的处理应用上进行研究和探讨。

2 实验的原理分析

线路板废水中的氨氮不仅存在着游离氨（NH3）与铵离子（NH4+），保持着平衡状态，还存在着一部分是氨氮被束缚在络合离子中，以〔Cu(NH3)4〕2+形式存在，此时游离氨的比例不仅与pH有关，还受铜氨络离子浓度的影响见式（1）：

根据式（1）可以得到，当〔Cu(NH3)4〕2+＝0时，水中游离氨的比例随着pH的升高而增大，当pH＞11的时候，水中90%以上的氨氮都是以游离氨的形式存在。还应该注意到，在相同的pH下，〔Cu(NH3)4〕2+浓度越低，游离氨的比例越高。计算结果表明，废水中氨氮浓度在200 mg/l以下时，〔Cu(NH3)4〕2+浓度非常小，也即，低浓度的铜氨络合离子对氨氮的吹脱影响微乎其微。所以可以知道在线路板废水中的氨氮大多以铵离子（NH4+）和游离氨（NH3）保持平衡的状态而存在。其平衡关系式如式（2）：

这个关系受pH值的影响，当pH值高时，平衡向左移动，游离氨的比例增大。常温时，当pH值为7左右时，氨氮大多数以铵离子状态存在，而pH为11左右时，游离氨大致占90%。所以废水在进入吹脱塔前，先以石灰进行处理，经石灰调节pH值后的废水从塔的上部淋洒到填料上而形成水滴，顺着填料的间隙次第落下，与由风机从塔底向上或水平方向吹送的空气逆流接触，完成传质过程，使氨气由液相转为气相，随空气一起被吸收，完成吹脱过程。

3 吹脱法去除氨氮的影响因素

3.1 pH值、温度对吹脱的影响

通过上面对其吹脱原理的分析，pH值高时，会增加废水中游离氨的浓度，并且有利于游离氨的存在，所以pH 值是影响游离氨在水中百分率的主要因素之一。另外，温度也会影响反应式（2）的平衡，温度升高，平衡向右移动。表1 列出了不同条件下氨氮的离解率的计算值。表中数据表明，当pH值大于10时，离解率在80%以上，当pH值达到11时，离解率高达98%且受温度的影响甚微。

表1 不同pH、温度下氨氮的离解率%

3.2 气液比对吹脱的影响

氨吹脱一般采用吹脱池和吹脱塔两类设备，但吹脱池占地面积大，而且易造成二次污染，所以氨气的吹脱常采用塔式设备。

吹脱塔常采用逆流操作，塔内装有一定高度的填料，以增加气—液传质面积从而有利于氨气从废水中解吸。常用填料有拉西环、聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心球等。废水被提升到填料塔的塔顶，并分布到填料的整个表面，通过填料往下流，与气体逆向流动，空气中氨的分压随氨的去除程度增加而增加，随气液比增加而减少。

氨吹脱是一个相转移过程，推动力来自空气中氨的分压与废水中氨浓度相当的平衡分压之间的差，由物料守衡（见图1）可得吹脱塔操作线方程见式（3）：

图1 逆流吹脱塔物料衡算

即以（L/V）为斜率的直线，如图2的直线MN。在此，L值已经确定，若减少吹脱气体的用量，操作线斜率将会增大，点N 便沿垂直线X＝X2向上移动，传质推动力（X2－X2*）或（Y2－Y2*）随之减小，当点N 落在线Y*上时，Y2＝Y2*，塔顶吹脱气体浓度达到平衡，即最高浓度。此时气体用量最小，这是理论上液气比能达到的最大值，但推动力变为0，见式（4）：

通常要求达到的氨去除程度（X1）、进口浓度（X2）为已知，空气进口浓度（Y1）为零，Y2*为与X2对应的气体平衡浓度，对于稀溶液，在一定温度，当气液之间达到相平衡时，溶质气体在气相中的分压与该气体在液相中的浓度成正比，即可由亨利定律求得，如式（5）：

因此最大液气比可表示为式（6）：

式中m为平衡常数，是温度的函数。所以温度对气体平衡浓度进而对（L/V）max有较大的影响。当温度从10 ℃变为40 ℃时，（L/V ）max从0.58增大到2.4。

在逆流吹脱塔中，对确定的废水量而言，增大气体量，传质推动力相应增大，有利于氨氮吹脱去除。但气量太大，气速过高，将影响废水沿填料正常下流甚至不能流下，即引起液泛现象。因此，对一定废水量，最小液气比受液泛气速控制。液泛气速与塔式结构、填料种类和液体物性等因素都有关。显然，实际的液气比应满足下式要求见式（7）：

图2 逆流吹脱塔操作线

4 吹脱的工艺流程说明

实验装置如流程图3所示，吹脱塔是填料塔，塔高1500 mm，直径180 mm，内装填料，高度1000 mm，填料塔顶部有废水入口和气体出口，底部有两个进料口和一个出料口，分别加入蒸汽、空气和引出处理后的废水。将含氨氮的络合废水排进废水储罐，加入已配置好的40%的石灰溶液搅拌，调节废水的pH，然后进入沉淀池静置沉淀脱除废水中的固体杂质，澄清后的废水进入澄清储罐，再由泵输送到填料塔顶，并由流量计计量，吹脱温度通过蒸汽的加入量来控制。含氨氮的原水在填料塔内由上而下流动，与上升的空气逆流接触，废水中的氨向气相转移，从而达到脱除废水中氨氮的目的。

图3 氨氮废水吹脱流程图

5 结果分析及讨论

5.1 pH值对吹脱效率的影响分析

随着废水中的pH值不断的升高，其游离氨的浓度会不断的增加，当pH在10以下时，吹脱效率随着pH值的上升呈直线提高，pH过了10以后开始趋缓，当 pH值超过11后，去除率变化不大，所以pH值对去除率的影响存在两个折点，一个是pH值为10，一个为pH值为11，从理论上，提高pH值将会逐渐的破坏氨的电离平衡，到pH值为10时，基本已将电离平衡破坏，因此pH值在10之前吹脱效率提高较快，到pH值超过11后，污水中的氨氮大多以游离的氨存在，此时提高pH值仅增加少量的游离氨，故对吹脱影响效率不大。所以，排除一些其他如设备因素，最理想的吹脱pH值在11左右。

5.2 温度对吹脱效率的影响分析

温度的不断的上升有利于废水中游离氨的溢出，但当温度从20 ℃上升到35 ℃时，去除效率的增加量不到5%，由表一可以看出，当pH值控制在11时，温度20 ℃、30 ℃及35 ℃时，其离解率都为98%，而污水从20 ℃提高到35 ℃所需的热能是很大的。因此一般情况，不需要提高温度来提高去除效率，常温即可。

5.3 气液比对吹脱效率的影响分析

对于一般吹脱塔其引风量是固定的，所以改变气液比就是改变废水的流量，减小废水的流量，就增加了气液的接触面积，因此去除效率基本上随流量的降低而提高，所以可以说明提高气液比就能提高去除效率。但当减小流量到一定时，污水就会出现偏流现象，使吹脱的有效接触量下降，所以一般控制气液比4000 m3/m3时，其吹脱效率最大，可达到95%以上。