稀土浸矿氨氮废水的吹脱试验研究

罗小燕，陈云嫩，熊昌狮，段武林，刘春花

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.寻乌南方稀土有限责任公司，江西寻乌342200）

稀土浸矿氨氮废水的吹脱试验研究

罗小燕1，陈云嫩1，熊昌狮1，段武林2，刘春花1

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.寻乌南方稀土有限责任公司，江西寻乌342200）

针对稀土浸矿产生的高氨氮废水，采用吹脱法对其进行处理，通过单因素试验和正交试验对影响因素进行了研究。结果表明，各主要因素对吹脱效果的影响大小为pH＞吹脱温度＞气液比；最佳操作条件：pH=11，温度为40℃，气液比为5 555.6∶1，吹脱时间为100 min。吹脱出的NH3用H2SO4吸收，形成（NH4）2SO4溶液，可作为浸取剂返回生产中使用或者用于生产（NH4）2SO4肥料，实现资源回收利用。该试验工艺可作为脱氮除磷二级生物处理或一级强化处理的预处理。

稀土浸矿；氨氮废水；吹脱

我国稀土资源储量位居世界第1位。由于南方离子吸附型稀土生产企业在稀土浸取工艺段采用硫酸铵浸取稀土〔1〕，产生了大量高浓度氨氮废水，该废水未加处理或稍加处理就直接排入环境中，造成水体富营养化，导致水质恶化〔2〕，微生物数量增多，使给水消毒的氯使用量增加，最终导致水处理成本提高；同时产生的氯副产物增多，对人体健康的危害增大〔3〕。因此，对于高浓度的氨氮废水进行治理成为当务之急。

目前，对于稀土氨氮废水的治理技术主要分为2大类：生物法和物理化学法〔4〕。在实际应用中，对于高浓度的氨氮废水，主要采用浓缩蒸发结晶法进行处理〔5〕，而对于低浓度的氨氮废水还没有切实可行的处理方法。

本研究采用空气吹脱法处理稀土浸矿产生的高氨氮废水，通过单因素试验及正交试验对影响吹脱效果的主要因素进行了研究，得到最佳操作条件。采用吹脱法处理稀土氨氮废水，在去除废水中氨氮的同时，可实现资源回收利用。

1　废水水质与试验方法

1.1试剂及仪器

试剂：浓硫酸、浓盐酸、无水乙醇、无水碳酸钠、轻质氧化镁、氢氧化钠、硼酸、甲基红、溴百里酚蓝、亚甲蓝、酒石酸钾钠、碘化钾、碘化汞等，均为分析纯。

仪器：pH6011A型pH计，苏州科力华电子有限公司；WFJ7200分光光度计，尤尼柯仪器有限公司；J100B电子天平，日本AND公司；SHA-C水浴恒温振荡器，金坛市城东新瑞仪器厂；101A-3电热鼓风干燥箱，上海市实验仪器总厂。

1.2废水水质

本试验所用废水取自赣州市某稀土冶炼厂，该废水主要水质指标如表1所示。

表1　氨氮废水主要水质指标

1.3试验方法

取300 mL废水置于500 mL锥形瓶中，在一定的pH、气液比（体积比，下同）、温度下吹脱一定时间。取样，测定吹脱后水样中的氨氮浓度，计算氨氮去除率。NH3-N采用纳氏试剂分光光度法进行测定。实验装置如图1所示。

图1　吹脱试验装置

2　结果与讨论

2.1单因素试验

2.1.1pH对吹脱效果的影响

在温度为30℃，气液比为5 000∶1，吹脱时间为90 min的条件下，改变溶液pH，考察pH对吹脱效果的影响，结果如图2所示。

图2　pH对吹脱效果的影响

由图2可知，当pH在8～11之间时，随着pH的升高，氨氮去除率升高迅速；当pH＞11时，随着pH的升高，氨氮去除率的变化趋于平缓。当pH＜7时，氨氮主要以NH4+的形式存在，当pH＞12时，氨氮主要以NH3的形式存在，因此随着pH的增大，游离氨浓度升高，其在外力作用下更容易逸出。但pH越大，碱的消耗量越大，运行成本越高。综合考虑，选取最佳pH为11。

2.1.2曝气速率对吹脱效果的影响

在pH为11，温度为30℃，吹脱时间为90 min的条件下，调节曝气速率分别为 8.3、10.0、12.5、16.7、25.0 L/min，此时气液比分别为2 500∶1、3 000∶1、3 750∶1、5 000∶1、7 500∶1，考察气液比对吹脱效果的影响，结果如图3所示。

图3　曝气速率对吹脱效果的影响

由图3可知，氨氮去除率随着曝气速率的增大而逐渐提高，当曝气速率增大到16.7 L/min后，随着曝气速率的增大，氨氮去除率升高的趋势变缓。由化学工程传质理论可知，曝气速率增大，气相中氨气分压降低，传质推动力增加，气膜传质速率加快，从而提高了氨氮去除率。但当曝气速率增大到一定程度时，水的蒸发量亦变大，电消耗量也增加，同时吹出的氨气浓度降低，不易回收且不经济。综合考虑，选取最佳曝气速率为16.7 L/min。

2.1.3吹脱时间对吹脱效果的影响

在pH为11，温度为30℃，曝气速率为16.7L/min的条件下，分别吹脱40、60、80、100、120、140 min，此时气液比分别为 2 222.2∶1、3 333.3∶1、4 444.4∶1、5 555.6∶1、6 666.7∶1、7 777.8∶1，考察吹脱时间对吹脱效果的影响，结果如图4所示。

由图4可知，氨氮去除率随着吹脱时间的延长而提高，当吹脱时间达到100 min时，氨氮去除率最大，继续延长吹脱时间，氨氮去除率反而下降。在吹脱初期，废水中的氨氮浓度高，反应推动力大，传质速率快，因此随着吹脱时间的延长，氨氮去除率增加；随着废水中氨氮浓度的降低，当吹脱时间达到100 min后，吹脱出的氨不足以补偿因水份的大量蒸发而引起的水样氨氮浓度的变化，表现为氨氮去除率下降。选取最佳吹脱时间为100 min。

图4　吹脱时间对吹脱效果的影响

2.1.4温度对吹脱效果的影响

在pH为11，气液比为5 555.6∶1，吹脱时间为100 min的条件下，改变吹脱温度，考察温度对吹脱效果的影响。结果表明，随着温度的升高，氨氮去除率趋于直线上升。这是因为随着温度的提高，氨气在水中的溶解度会减小，此时在外力的作用下，氨气易于从水中逸出，导致氨氮去除率增大。但温度过高，需要消耗大量的电能，导致处理成本升高，温度控制在30～40℃比较合适。由实验结果可知，吹脱法不适合在冬季操作。

2.2正交试验

研究表明，温度、pH、气液比3个因素对氨氮的吹脱效果影响比较大。对此在单因素试验基础上，以温度、pH、气液比为影响因素，进行了3因素3水平正交试验，吹脱时间为100 min。试验结果见表2。

表2　正交试验结果

由表2可知，各因素对吹脱效果的影响大小依次为pH＞温度＞气液比，各因素的最优水平组合：温度为50℃，pH为12，气液比为6 111.1∶1。

结合单因素及正交试验结果，综合考虑吹脱效果和实际应用中的经济性，确定最佳的操作条件：pH为11，温度为40℃，气液比为5 555.6∶1，吹脱时间为100 min。

2.3氨资源回收

氨氮废水经吹脱处理产生的NH3是一种良好的资源，用 H2SO4吸收吹脱出的 NH3可制得（NH4）2SO4，（NH4）2SO4可作为浸取剂返回生产中。

2.3.1硫酸吸收液浓度的确定

取3组300 mL初始氨氮质量浓度为1 267 mg/L的水样，在pH为11，气液比为5 555.6∶1，温度分别为 30、40℃，吹脱时间为 100 min的条件下进行吹脱试验，并分别用100 mL 0.75、1.00、1.25 mol/L的H2SO4溶液吸收吹脱出的NH3，试验结果如表3所示。

表3　H2SO4吸收液浓度对NH3回收的影响

由表3可知，在相同H2SO4吸收液体积下，随着H2SO4吸收液浓度的变化，吹脱后H2SO4吸收液中的氨氮也在变化。当H2SO4吸收液浓度为1.00 mol/L时，吹脱后H2SO4吸收液中的氨氮质量相对较大。因此，H2SO4吸收液的浓度定为1.00 mol/L。

2.3.2硫酸吸收液体积的确定

取3组300 mL初始氨氮质量浓度为1 267 mg/L的水样，在pH为11，气液比为5 555.6∶1，温度分别为30、40℃，吹脱时间为100 min的条件下进行吹脱试验，分别用60、80、100 mL浓度为1.00 mol/L的H2SO4溶液吸收吹脱出的NH3，试验结果见表4。

表4　H SO吸收液体积对NH回收的影响

由表4可知，在相同的H2SO4吸收液浓度下，随着H2SO4吸收液体积的变化，吹脱后H2SO4吸收液中的氨氮也在变化。在温度为40℃条件下，当H2SO4

吸收液浓度为1.00 mol/L、体积为60 mL时，吹脱后H2SO4吸收液中的氨氮质量相对较大。综合考虑，选择H2SO4吸收液的体积为60 mL。

3　结论

采用吹脱法对稀土浸矿产生的高氨氮废水进行处理，通过单因素试验和正交试验对影响因素进行了研究。结果表明，各主要因素对吹脱效果的影响大小为pH＞吹脱温度＞气液比；最佳操作条件：pH= 11，温度为40℃，气液比为5 555.6∶1，吹脱时间为100 min，在最佳操作条件下，氨氮去除率达81%。吹脱出的NH3可以用60 mL 1.00 mol/L的H2SO4吸收液来吸收。吸收后形成的（NH4）2SO4溶液可作为浸取剂返回生产中使用或者用于生产（NH4）2SO4肥料，实现资源回收利用。参考文献

［1］池汝安，田君.风化壳淋积型稀土矿化工冶金［M］.北京：科学出版社，2006：35-47.

［2］宋云弛.稀土废水的脱氨实验研究和治理工艺设计［D］.西安：西安建筑科技大学，2007：4-6.

［3］戴宝成.稀土氨氮废水吹脱法脱氨静态试验研究［D］.内蒙古：内蒙古科技大学，2007：2-8.

［4］许国强，曾光明，殷志伟，等.氨氮废水处理技木现状及发展［J］.湖南有色金属，2002，18（2）：29-33.

［5］黄海明，肖贤明，晏波.氨吹脱处理稀土分离厂中氨氮废水试验研究［J］.环境工程学报，2008，2（8）：1062-1065.

Experimental research on the air stripping method for the treatment of ammonia nitrogen wastewater in leaching rare earth

Luo Xiaoyan1，Chen Yunnen1，Xiong Changshi1，Duan Wulin2，Liu Chunhua1
（1.School of Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Xunwu South Rare Earth Co.，Ltd.，Xunwu 342200，China）

Aiming at the highly concentrated ammonia nitrogen wastewater produced in rare earth leaching，air stripping method has been used for its treatment.Through single-factor tests and orthogonal tests，the influential factors of it are studied.The results show that the order of influence degrees of the main factors on the air stripping effect is pH＞stripping temperature＞gas-liquid ratio.The optimum operation conditions are as follows：pH=11，temperature 40℃，gas-liquid ratio 5 555.6∶1，and stripping time 100 min.The NH3air stripped from the wastewater can be absorbed by sulfuric acid，forming（NH4）2SO4solution，which can be used as leaching solvent to be used in production again，or to be used for ammonium sulfate fertilizer production，realizing the recovery and recycling of resources. This experimental process can be used in the pretreatment of denitrification and dephosphorization second-class biological treatment or first-class enhanced treatment.

rare-earth leaching；ammonium nitrogen wastewater；air stripping

X703

A

1005-829X（2016）02-0033-03

国家自然科学基金资助项目（51164014）；江西省教育厅资助项目（GJJ14419）

罗小燕（1990—），硕士研究生。电话：15297763050，E-mail：1264702358@qq.com。通讯联系人：陈云嫩，E-mail：cyn70yellow@gmail.com。

2015-11-06（修改稿）