超重力技术处理高浓度氨氮废水的中试研究

2023-01-17赖祖明

科技创新与应用 2023年1期

罗军，赖祖明，张欢

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

随着我国城镇化的不断加快和经济的快速发展，日益严峻的环境问题需要亟待改善和解决。其中，高浓度氨氮废水由于来源广、成分复杂、处理成本大等不利因素成为水体污染和生态环境破坏的重要原因。多年来，科学工作者们紧紧围绕高效、节能、资源化等方面对高浓度氨氮废水的处理进行了深入的研究与探索。目前，传统的高浓度氨氮废水的处理主要还是采用以空气为气提剂的吹脱法，该法具有操作简单、易于控制，运行成本低等优点[1]。但氨氮废水的吹脱一般采用塔设备作为吹脱设备，存在体积庞大、效率低、吹脱所需动力消耗大等缺点[2]。

从20世纪80年代开始，我国科研人员开始对超重力技术进行研究，并形成了丰富的理论成果和良好的工程应用。超重力技术作为一种新型的强化传质过程的技术[3]，已广泛运用于多个领域。采用超重力设备——超重机替代传统的吹脱塔，不论是从理论角度还是从工程应用角度来讲都具有重大意义。焦纬洲等[4]运用超重力技术处理焦化氨氮废水，单级脱氮率比传统塔设备吹脱法高35%。笔者在江西耐可化工设备填料有限公司采用超重力技术对高浓度氨氮废水进行了中试研究，同样取得了良好的处理效果，为含有高浓度氨氮的稀有金属废水处理尝试了另一种途径，并为工业化应用提供了参考数据。

1 氨氮废水的处理技术和研究进展

按有关浓度划分原则，NH3-N 质量浓度在500 mg/L以上[5]的生活污水和工业废水属于高浓度的氨氮废水。目前，高浓度氨氮废水的脱氮主要采用物化法和新型生物脱氮法。其中，因经济成本等因素，物化法通常用于高浓度氨氮废水的预处理，其主要包括吹脱法、化学沉淀法、湿式催化氧化法等。新型生物法则包括好氧反硝化、厌氧氨氧化、短程硝化反硝化与同时硝化反硝化等。国内外研究人员采用新型生物法对处理高浓度氨氮废水进行了实验研究[6-10]，发现相较于传统生物法，具有脱氮效率高，经济，外加碳源少等优点，但同样存在菌种保持率低、易受温度影响、操作过程复杂、控制难度高等不足。

2 超重力法的特点与处理高浓度氨氮废水原理

2.1 超重力法的特点与应用

目前，超重力技术广泛应用于众多领域，在油田注水脱氧[11]、氨氮废水处理[12]、废气中SO2和H2S 的脱除[13]、纳米材料的制备[14-16]、强化除尘过程和强化生化反应过程[13]等方面都取得了可喜的成果。与传统吹脱法相比，超重力法吹脱氨氮废水具有气相动力消耗小；氨氮去除率高；设备体积小、运行稳定且操作弹性大；气液比小，利于氨回收；能增加水中溶解氧等特点，工程化应用效果显著，具有广泛的工业化应用前景。

2.2 超重力法处理高浓度氨氮废水原理

超重力工程技术的基本原理是利用超重力条件下多相流体系的独特流动行为，强化相与相之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质传热过程和化学反应过程。运用超重力技术处理高浓度氨氮废水就是根据吹脱法的基本原理，采用超重力设备——超重机替代传统的吹脱塔，利用超重机产生的超重力场使氨氮分子在气液相间快速扩散和传质，从而达到强化传质过程和多相反应过程的目的。

3 实验流程与方法

3.1 实验流程

实验流程如图1所示，外界进水进入均质桶进行调节均质，然后在输液泵的作用下经流量计计量后通过进水管进入超重机处理。

图1 实验流程图

3.2 氨氮测定方法

本实验氨氮浓度的测定基于纳氏试剂分光光度法，由氨氮测定仪直接测定。

4 实验结果与讨论

4.1 pH 对脱氮效果的影响

实验氨氮废水的质量浓度为10 090 mg/L，实验条件为废水温度40℃，气液比为3000，电机转数1400r/min。调节废水溶液的pH 为9、10、11、12、13 后进行单级处理，分别测定其脱氮率，实验结果如图2所示。

如前所述，氨氮废水中氨氮的存在形式主要受pH影响。有研究表明，当pH 为11 左右时，游离氨（NH3）所占比例能达到90%以上。由图2也可以看出，氨氮脱除率随pH 的上升而提高，尤其是当pH 从9 上升到11 时，单位pH 升高范围内脱氮率增长速率比其他区段都要快，当pH=13 时，氨氮脱除率达到81.4%。由此可以得出pH 是影响脱氮效率的关键因素，结合所用的实际工程废水pH 为12、13，从处理效果和实际条件2 个方面来综合考虑，选取废水溶液pH=13 时较好。

图2 pH 对脱氮效率的影响

4.2 废水温度对脱氮效果的影响

图3是在pH=13，气液比3000，电机转数1400r/min的实验条件下，废水温度对氨氮脱除率的影响（实验氨氮废水的质量浓度为11 033 mg/L）。

由图3可知，随着废水温度的升高，氨氮的脱除率也随之提高。这主要存在2 个方面的原因：一方面游离氨的生成反应是吸热反应，升高温度，有利于水中游离氨浓度的增加，同时增大氨气在水中的扩散系数，增加了传质系数。另一方面，温度的提高使氨在水中的溶解度降低，增加了传质推动力[17]。考虑到随着温度的升高，氨氮的脱除率增长幅度不断缩窄，实际废水的温度在40～45 ℃之间，所以结合实验结果废水温度选取40 ℃比较合适。

图3 温度对脱氮效率的影响

4.3 电机转速对脱氮效果的影响

在pH=13，温度40 ℃，气液比3 000 的实验条件下，考察电机转速对氨氮脱除率的影响（实验氨氮废水的质量浓度为10 980 mg/L），实验结果如图4所示。

图4 电机转速对脱氮效率的影响

由图4可以发现：氨氮的脱除率随转速的提高是增加的，特别是当转速在280～840 r/min 区间段内，氨氮脱除率上升的幅度较大。超重力场之所以和普通重力场相比具有强化气液间传质过程的特点，是因为在超重力场中气液受到比在普通重力场中大的多的离心力，使气液在高速湍动下接触，从而达到提高传质效率的目的。超重力因子是用来衡量超重力场强弱的一个无因次量[18]，是平均离心加速度与常重力加速度之比，大小与电机转动角速度的平方成正比，因此提高转速能增大超重力因子。超重力因子增大，则所受到的剪切力增大，巨大的剪切力使液膜的表面更新加快，增大了气液接触面积，从而极大地强化了气液间的传质过程，增加了氨氮的脱除率。鉴于转速超过840 r/min 后氨氮脱除率上升曲线渐趋平稳，以及经济成本等原因，因此转速在1 400 r/min 比较合适。