影响解氨剂-吹脱法处理高浓度氨氮废水的单因素实验研究

罗 军，张 欢，赖祖明

（1.江西现代职业技术学院 建筑工程学院，江西 南昌 330013；2.南昌市燃气集团有限公司，江西 南昌 330013；3.江西耐可化工设备填料有限公司，江西 萍乡 337005）

随着我国工业化与城市化进程的不断加快，伴随而来的环境污染问题日益严峻。其中，氮是造成水体富营养化和环境污染的重要元素，其主要来源于化工废水、化肥废水、焦化废水、味精废水、垃圾渗滤液和养殖废水等。高浓度氨氮废水造成以氮源为营养物质的藻类植物大量繁殖，严重时水中溶解氧急剧下降，大量鱼类死亡，致使水体平衡失稳，生态环境遭受破坏。近二三十年来，国内外在高浓度氨氮废水的处理方面开展了大量的研究，在围绕科学高效、经济环保、资源回收和出水稳定等方面形成了丰富的理论知识和不断完善的工艺技术，并对今后高浓度氨氮废水的处理指明了方向。

高浓度氨氮废水由于其来源广、排放量大及处理成本高等特点成为一种较难处理的工业废水。目前常采用吹脱法处理高浓度氨氮废水，但也存在出水氨氮浓度高，不能满足高效、经济和节能的治理目标。新型生物法近年发展较快，涌现出多种新型生物脱氮理论，主要代表为厌氧氨氧化、同时硝化反硝化、短程硝化反硝化等，并出现多种与之相应的新型脱氮工艺[1-3]。但是新型生物脱氮机理及动力方程等方面都需进一步的深入研究，为新型生物脱氮的工业化应用提供设计参数[4]。

复合解氨剂吹脱法是在吹脱法的基础上，通过加入一种复合解氨剂来提高脱氮率的一种方法，通过实验研究证明解氨剂在联合吹脱法处理高浓度氨氮废水中的促进作用，并通过研究多个单因素pH、吹脱时间、气液比和解氨剂投加量等对氨氮脱除效率的影响，得出解氨剂协同吹脱法处理高浓度氨氮废水的最佳工艺参数，为之后工业化应用实验研究打下基础。

1 材料与方法

1.1 实验用水

本实验以模拟氨氮废水为研究对象，称取38.215 0 g经100℃干燥过的优级纯氯化铵溶于水中，移入1 000 mL的容量瓶中定容，则此溶液中氨氮浓度约为10 000 mg/L。实验中以实测浓度为准。

1.2 实验药剂与设备

本实验所用的主要药剂与实验仪器见表1。其中解氨剂采用江西耐可化工设备填料有限公司生产的复合材料。

表1 试验仪器与药剂一览表

1.3 实验设备与试验步骤

实验设备如图1所示。将300 mL的烧杯用作吹脱反应仪器，在烧杯中加入100 mL的模拟高浓度氨氮废水，再将一定量的氢氧化钠和一定质量的解氨剂放入溶液中，分别用于调节pH值和药剂反应。等混合摇匀充分溶解反应后放入恒温摇床，通过恒温水浴锅调节氨氮废水的温度，最后往烧杯溶液中放入曝气口，打开曝气开关进行曝气，模拟吹脱反应。反应结束后停止曝气，测定反应后的氨氮废水剩余浓度，同时计算氨氮脱除率。

图1 实验设备原理图

1.4 氨氮测定方法

本实验采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮浓度，由氨氮测定仪直接测定。

2 实验结果与讨论

2.1 吹脱时间对氨氮脱除效果的影响

在pH=11，平均温度为35℃，解氨剂的投加量为50 mg/L，气液比为2 500的实验条件下，吹脱时间设定为0，20，40，60，80，100，120 min。实验结果如图2所示。（氨氮废水初始浓度为10 280 mg/L）

图2 吹脱时间对氨氮脱除效率的影响

由图2可知，当时间从0上升到20 min时，脱氮率也随之从36%上升到79.1%，增长了一倍多。并且随着时间的不断延长，脱氮率保持不断上升的趋势，最终在60 min时达到最大，脱氮率近乎96%。此后随着吹脱时间的进一步提高，脱氮率有所轻微下降，但几乎保持稳定，维持在92%以上。由此说明吹脱时间是影响脱氨效果的一个关键因素。吹脱法处理氨氮废水实质是气液传质过程[5]，废水中氨与空气中氨形成的浓度差会产生传质推动力，推动力促使废水中的游离氨持续地由液相转移到气相中，最终形成脱除废水中氨氮的现象。因此，延长吹脱时间能有效增加NH3-N的传质效率，提高脱氮率。至于当吹脱时间超过60 min脱氮率有所下降，主要原因在于气液两相在传质过程中不断趋于平衡，导致传质推动力不断减弱，氨氮去除率在单位时间内出现下降，由此发现氨氮去除率在后期不会与吹脱时间成正比[6]。此外，在吹脱后期，废水的蒸发量大于氨的脱出量，最终导致废水的氨氮浓度有所升高。所以，本实验选择吹脱60 min为最佳反应条件。

2.2 气液比对氨氮脱除效果的影响

在pH=11，平均温度为35℃，解氨剂的投加量为50 mg/L，吹脱时间1 h的实验条件下，通过改变曝气率来研究气液比（气液比=曝气速率×吹脱时间÷吹脱水量）对氨氮脱除效果的影响。实验结果如图3所示。（氨氮废水初始浓度为9 500 mg/L）

图3 气液比对氨氮脱除效率的影响

由图3可知，增加气液比能有效提高氨氮脱除率，气液比增加能使气液两相的接触机会增加，提高传质效率。此外，增加气液比能减少气相中氨的浓度，从而使气液间氨的传质推动力增加，促使氨从水中吹脱出来。

在实验与实际工艺运行过程中，增加气液比所需的能耗也增加。因此应将能耗与脱氮效率综合考虑来决定气液比大小。从本实验结果发现在气液比2 500时，脱氮效率达到最大，达到96.9%。进一步增加气液比脱氮率有小幅下降，所以气液比选择2 500是最合适的。

2.3 解氨剂投加量对氨氮脱除效果的影响

如前所述，吹脱法处理氨氮废水实质是气液传质过程[5]。近年来国内外研究人员发表不少关于表面活性剂改变传质膜系数的文章，并从传质机理、特性等方面进行了研究[7-9]，证实表面活性剂在吹脱法处理氨氮废水过程中具有协同作用，能进一步提高氨氮脱除率。本实验采用江西耐可化工设备填料有限公司提供的解氨剂是以表面活性剂为主掺杂其他组份复配而成，并对其进行研究。在pH=11，平均温度为35℃，吹脱时间1 h，气液比为2 500的实验条件下，研究解氨剂的投加量对氨氮脱除效率的影响，实验结果如图4所示。（氨氮废水初始浓度为10 220 mg/L）

图4 解氨剂投加量对氨氮脱除效率的影响

由图4可知，投加剂的量从0～50 mg/L时，脱氮率随着投加剂的量增加而升高，并在50 mg/L时达到最大，脱氮率为96.4%。因此，本实验选择解氨剂50 mg/L为最佳反应条件。当投加剂的量进一步增加时，脱氮率反而下降，这主要是由于解氨剂的投加量过高时，会达到胶束浓度[6]，在液面形成一层很厚的泡沫层，泡沫过多会增大液膜阻力，阻碍气液传质，进而导致氨氮脱除率降低。

3 结论

（1）通过本实验得出复合解氨剂结合吹脱法处理高浓度氨氮废水具有高效、经济成本低、运行简单等特点。

（2）在pH、温度、气液比、吹脱时间等其他影响因素一定的情况下，加入适量的复合解氨剂能显著改善脱氮效果，脱氮率可提高十个百分点左右。

（3）在pH=11，温度35℃，吹脱时间1 h，气液比为2 500，解氮剂的投加量50 mg/L的实验条件下，氨氮去除率接近99%。

（4）通过实验得出的最佳反应条件，可以为工业化应用与示范化推广提供数据参考。