高氨氮废水的吹脱处理应用研究

2023-08-10陈二军虞素飞李云峰

山东化工 2023年12期

陈二军,虞素飞,李云峰

(上海问鼎环保科技有限公司,上海 201612)

高浓度氨氮废水来源甚广且排放量大,如石化、焦化、制药、食品、城镇生活污水和垃圾填埋场等会均产生大量高浓度氮氮废水。大量氨氮废水排入水体不仅引起水体富营养化、造成水体黑臭,而且会增加后续废水处理的难度和成本,甚至对人群及生物产生毒害作用[1]。氨氮废水对环境的影响已引起环保领域和全球范围的高度重视,近20年来,国内外对氨氮废水处理方面开展了较多的研究[2]。其研究范围涉及生物法、物化法的各种处理工艺,如生物方法有硝化及藻类养殖;物理方法有反渗透、蒸馏、土壤灌溉;化学法有离子交换、氨氮吹脱、化学沉淀、折点氯化、电化学处理、催化裂解法等[3-7]。新的技术不断出现,在处理氨氮废水的应用方面展现出诱人的前景,但从经济性和实用性考虑,氨氮吹脱技术受到了研究者的广泛关注。

氨氮吹脱技术往往用于处理浓度较高、污染物较为复杂且难处理的氨氮废水,其具有工艺简单,运行成本低,水质适应性较强,氨氮去除效率较高等特点,且逸出的NH3可被有效回收利用,减少二次污染[8-10]。尽管文献中已对氨氮吹脱技术进行了大量报道,但以往对氨氮吹脱的研究主要集中其在工业应用中的作用;关于废水中氨氮稳定性的研究还不全面,这也极大地限制了对实际应用中废水中氨氮含量及其内在作用机理的认识。本研究利用废水氨氮吹脱模拟装置研究了废水中氨氮的稳定性。同时,也探究了pH值、水温和通气时间三个重要因素的影响。为实际工程中全面认识氨氮吹脱技术提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 模拟配水

根据某化工厂实际产生的氨氮废水配制,pH值为6.15,氨氮含量为1 408.05 mg/L。

1.2 试剂与仪器

1.2.1 试剂

浓盐酸,氢氧化钠,氯化铵,氢氧化钾,碘化钾,酒石酸钾钠,二氯化汞,以上试剂均为分析纯,厂家为国药集团化学试剂有限公司。

1.2.2 仪器

紫外-可见分光光度计(UV-7504型);空气压缩机(ZC-1型);pH计(pHS-3C型);电子天平(FA2004B型);数显恒温水浴锅(HH-6型)。

1.3 工艺及方法

1.3.1 工艺流程

工业上常用的氨氮吹脱工艺如图1(a)所示,氨氮废水首先进入进水水罐,通过加入NaOH调节pH值为11左右。废水中存在的NH3会随pH值的升高而逸出,NH3进入吸收塔回收,废水则进入出水水罐,加入H2SO4调节pH值为6～8即可将废水排入生化系统,完成吹脱过程。

图1 工艺流程图及实验装置图

为了模拟氨氮吹脱过程,制作了简易的实验装置,如图1(b)和(c)所示,三个洗气瓶中依次放置氨氮废水、稀硫酸、稀硫酸。

1.3.2 实验方法

1.3.2.1 氨氮稳定性研究方法

首先将氨氮废水调节成一定pH值,取一定量的氨氮废水置于烧杯中,再放入水浴锅中恒温加热一定时间后,再测定洗气瓶中氨氮的含量。

1.3.2.2 氨氮脱除效果研究方法

首先将氨氮废水调节成一定pH值,取一定量的氨氮废水置于第一个洗气瓶中,后面两个洗气瓶均加入稀硫酸,再放入水浴锅中恒温加热,吹脱处理一定时间后,同时测定洗气瓶中氨氮的含量。

1.3.3 氨氮的测定方法

氨氮含量的测定按GB 7479—87进行测定。

2 结果与分析

2.1 废水中氨氮的稳定性

2.1.1 pH值对氨氮稳定性的影响

取300 mL的氨氮废水,温度保持常温下20 ℃,pH值为9～13,静置1 h,探究在不通气的情况下,改变pH值是否会导致废水中氨氮含量的变化,结果如图2所示。

图2 pH值对废水中氨氮稳定性的影响

2.1.2 温度对氨氮稳定性的影响

取300 mL的氨氮废水于烧杯中,pH值为11,温度为20～100 ℃,水浴中静置1 h,其他条件保持不变,探究在不通气的情况下,改变水温是否会导致废水中氨氮含量的变化,结果如图3所示。

图3 温度对废水中氨氮稳定性的影响

考察了温度为20～100 ℃时,水中氨氮的稳定性。由图3可以明显看出,随着温度的升高,氨氮含量持续降低,从1 408.05 mg/L(20 ℃)降低到181.70 mg/L(100 ℃),氨氮的去除率也随温度逐渐升高,40 ℃时就已达到60%以上,100 ℃时更是达到了87%。De[13]在文章中就指出温度改变了氨的扩散系数,同时高温也增大氨平衡分压,促进了氨在气液两相间的传质推动力。周振[14]也在研究中证实了该观点,高温导致平衡右移,氨气逸散。

2.2 氨氮吹脱效率的影响因素

2.2.1 吹脱pH值对氨氮脱除效率的影响

取300 mL的氨氮废水于洗气瓶中,空气压缩机的进气流量为200 mL/min,温度为20 ℃,持续吹脱1 h,pH值为9～13,其他条件保持不变,探究通气吹脱时,pH值对废水中氨氮脱出效果的影响,结果如图4所示。

图4 pH值对废水中氨氮脱除的影响

众所周知,pH值是最为关键的因素,严重影响去除率。由氨氮的电离平衡关系式可知,水中的氨氮大多以游离态( NH3) 和离子态氨( NH4+) 的形式存在,在pH值为中性时水中以离子态氨为主,当pH值为碱性时离子态氨氮逐渐转化为游离态氨[15]。由图4可知,在pH值为10或者10以下时废水中游离态氨氮浓度相对较差,所以去除氨氮效果较低,仅能达到55%;当pH值为 11时水中大部分氨氮转化成游离态的氨气,此时外部鼓气将会把氨氮以氨气的形式吹脱出去,从而使氨氮去除效果大大提升,去除率达到了90%以上,这与之前的报道一致[16-19];当pH值继续增大时,氨氮的去除率缓慢增加,主要是当pH值过高时,污水中游离氨占主导,继续增大pH值游离氨含量不再明显变化,导致去除率变化不大,刘小真[20]也在实验中得出与我们类似的结论。

可见,在其他条件一定的情况下,适当提高pH值对氨氮吹脱效果有利。但在工程上过高的pH值会增加药剂工业碱的成本,因此,pH值定为11最为合适。

2.2.2 吹脱温度对氨氮脱除脱效率的影响

取300 mL的氨氮废水于洗气瓶中,空气压缩机的进气流量为200 mL/min,pH值为11,持续吹脱1 h,温度为20～100 ℃,其他条件保持不变,探究通气吹脱时,温度与氨氮脱除率的关系,结果如图5所示。

图5 温度对废水中氨氮脱除的影响

从图5中可以看出,废水中氨氮剩余含量与温度呈现负相关。当温度小于60 ℃时,去除率随温度急剧增长,达到98.28%(60 ℃)。当温度超过60 ℃以后,氨氮含量依然不断降低,但去除率增长缓慢,这与温度影响氨氮去除率的文献非常吻合[21-23]。主要是因为温度升高,氨氮的溶解度下降,造成氨氮逸散;但温度过高又导致水分蒸发速度加快,相当于氨氮在废水中浓缩升高,使得去除率变化缓慢[24-25]。在实际工程中,温度越高,电能成本越大,因此,合适的温度不仅大大提高去除效率,还能节约成本[26]。所以,吹脱时的水温应保持在20～60 ℃。

2.2.3 吹脱时间对氨氮脱除效率的影响

取300 mL的氨氮废水于洗气瓶中,空气压缩机的进气流量为200 mL/min,水温保持在常温下20 ℃,pH值为11,持续吹脱5 h,每小时取样进行氨氮含量监测,探究吹脱时间与氨氮脱除率的关系,结果如图6所示。

图6 时间对废水中氨氮脱除的影响

为研究吹脱时间对废水中氨氮脱除的影响,对废水进行了为时5 h的吹脱和监测,其去除率如图6所示。由上图可以明显看出,随着时间的延长,废水中剩余氨氮含量明显减少,尤其在前期通气1 h时,去除率就达到了90%。但随着时间的延长,去除率变化不明显,主要是由于前期多数氨都已吹脱逸出,废水中剩余氨氮浓度较低,平均吹脱速率越来越慢,吹脱出的氨不足以补偿蒸发出的水分所致。继续吹脱1 h,去除效率只提升了3%左右;再继续吹脱3 h,去除率达到98.83%。可见,吹脱时间对于氨氮的去除效率影响明显[27]。此外,去除率也与接触面积直接相关,在实际工程中,为了增大接触面积,减少通气时间,常采用填料塔或板式塔,这与杨世东等人的实验结果相一致[28]。通过实验结果和数据分析得出,随着吹脱时间的继续增长,能耗持续增加,比较经济合理的吹脱时间条件为1 h。