高氨氮废水处理技术

 

       介绍各类氨氮废水处理技术及其原理,包括各种方法的优缺点、适用范围、高浓度氨氮废水处理技术的研究进展。通过对比分析,明确不同类型高氨氮废水处理的选择方法,为治理高氨氮废水提供一条便捷的选择方法。
       近年来,随着环境?;すぷ鞯娜找婕忧?,水体中有机物的代表指标-COD基本上得到有效控制,但是,含高氨氮废水达标排放没有得到有效控制,未经处理的含氮废水排放给环境造成了极大的危害,如易导致湖泊富营养化,海洋赤潮等。本文总结了国内外高氨氮废水处理技术及其优缺点、适用范围等。

1、废水中氨氮处理的主要技术应用与新进展

1.1吹脱法

       吹脱法是将废水中的离子态铵(NH4+),通过调节pH值转化为分子态氨,随后被通入的空气或蒸汽吹出。影响吹脱效率的主要因素有:pH值、水温、布水负荷、气液比、足够的气液分离空间。

NH4++OH-→NH3+H2O

       炼钢、石油化工、化肥、有机化工等行业的废水,常含有很高浓度的氨,因此常用蒸汽吹脱法处理,回收利用的氨部分抵消了产生蒸汽的高费用。石灰一般用来提高pH值。用蒸汽比用空气更易控制结垢现象,若用烧碱则可大大减轻结垢的程度。吹脱法一般采用填料吹脱塔,主要特征是在塔内装置一定高度的填料层,利用大表面积的填充塔来达到气水充分接触,以利于气水间的传质过程。常用的填料有拉西环、聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心球等。胡允良等人研究了某制药厂生产乙胺碘呋酮时产生的一部分高浓度氨氮废水的静态吹脱效果。结果表明:当pH=10~13,温度为30~50℃时,氨氮吹脱率为70.3%~99.3%。

       氨吹脱法通常用于高浓度氨氮废水的预处理,该处理技术优点在于除氨效果稳定,操作简单,容易控制。但如何提高吹脱效率、避免二次污染及如何控制生产过程水垢的生成都是氨吹脱法需要考虑的问题。

1.2化学沉淀法(MAP法)

       化学沉淀法是在含有NH4+离子的废水中,投加Mg2+和PO43-,使之与NH4+生成难溶复盐磷酸氨镁MgNH4PO4·6H2O(简称MAP)结晶,通过沉淀,使MAP从废水中分离出来?;С恋矸ㄓ绕涫视糜诖砀吲ǘ劝钡纤?,且有90%以上的脱氮效率。在废水中无有毒有害物质时,磷酸氨镁是一种农作物所需的良好的缓释复合肥料。

       处理时,若pH值过高,易造成部分NH3挥发。建议缩短沉淀时间,适当降低pH值,以减少NH3挥发。沉淀剂最好使用MgO和H3PO4,这样不但可以避免带入其他有害离子,MgO还可以起到中和H+离子的作用。赵庆良等人的研究发现:在pH=8.6时,同时投加Na2HPO4和MgCl2可将氨氮从6518mg/L降至65mg/L。

       化学沉淀法处理高浓度氨氮废水工艺简单、效率高。但是,废水中的氨氮残留浓度还是较高;另外,药剂的投加量、沉淀物的出路及药剂投加引人的氯离子及磷造成的污染是需要注意的问题。

1.3膜吸收技术

       比较老的膜技术是液膜法,除氨机理是:NH3易溶于膜相(油相),它从膜相外高浓度的外侧,通过膜相的扩散迁移,到达膜相内侧与内相界面,与膜内相中的酸发生解脱反应,生成的NH4+,利用膜两侧的NH3分压差为推动力,使NH3从废水向吸收液转移从而达到降低废水中氨氮含量的目的。但如何防止液膜乳化、富集了氨氮的吸收液的去向及减少吸收液对废水的有机污染是该技术需要着力研究的内容。

       目前随着膜技术的日臻完善,采用膜技术进行高浓度氨氮废水处理成为研究的热点。利用一疏水性膜将含氨废水与易吸收游离氨的液相隔于膜两侧。不同的吸收液需要选用不同的膜。当采用H2SO4为吸收液时,必须选用耐酸疏水性固体膜,透过膜的NH3与H2SO4反应生成(NH4)2?SO4而被回收。处理后废水中氨氮的浓度理论上可达到零。该工艺的难点在于防止膜的渗漏。为了保证较高的通量,一般的微孔膜的膜厚都比较薄,膜两侧的水相在压差的作用下很容易发生渗漏。

1.4高级氧化技术

1.4.1折点加氯法

       折点加氯法是通过投加足量氯气至使废水中NH3-N氧化成无害氮气,反应如下:

2NH4++3HClO→N2+3H2O+5H++3Cl-

       处理时所需的实际氯气量,取决于温度、pH值及氨氮浓度。氧化每毫克氨氮一般需要6~10mg氯气。虽然氯氧化法反应迅速完全,所需设备投资较少,但液氯的完全使用和贮存要求高,并且处理成本也较高;若用次氯酸或二氧化氯发生装置代替使用液氯,安全问题和运行费用可以降低,但目前国内最大的发生装置产氯量太少,并且价格昂贵,因此氯氧化法一般用于给水处理,将其用来作深度脱氮。对于大水量高浓度氨氮废水的处理显得不太适宜。

1.4.2催化湿式氧化法

       催化湿式氧化法是20世纪80年代发展起来的治理废水新技术。在一定温度、压力和催化剂作用下,经空气氧化,可使污水中的有机物和氨分别氧化分解成CO2、N2、H2O等无害物质,达到净化的目的。

       杜鸿章等人用在270℃、9MPa条件下,利用催化湿式氧化法处理焦化废水中的氨氮,去除率达到99.6%。该法具有净化效率高、流程简单、占地面积少等特点。经过国外多年应用与实践,在技术上已具有较强的竞争力。但如何降低成本还是实践应用有待研究解决的问题。

1.5离子交换技术

       离子交换法是选用对氨离子有很强选择性的沸石作为交换载体,从而达到去除氨氮的目的。根据有关资料,每克沸石具有吸附15.5mg氨氮的极限能力,当沸石粒径为30~16目时,氨氮去除效率可达到78.5%,但操作复杂,且再生液仍为高浓度氨氮废水,仍需再处理,一般适合于低浓度氨氮处理。

1.6生物脱氮技术

1.6.1生物脱氮传统工艺-硝化/反硝化法

       传统的硝化/反硝化法是废水中的氨氮在好氧菌作用下,最终氧化生成硝酸盐,这一过程称为硝化反应。其反如下:

2NH4++3O2→2NO2-+4H++2H2O
2NO2-+O2→2NO3-

总反应式为:

NH4++2O2→NO3-+2H++H2O
       硝化过程中要耗用大量的氧,一般认为溶解氧应控制在1.2~2.0mg/L以上,低于0.5mg/L则硝化作用完全停止。

       硝化反应后有硝酸形成,使生化环境的酸提高,因此要求废水中应有足够的碱度来平衡硝化作用中产生的酸,一般要求硝化作用最适宜的pH值为7.5~8.5。

       反硝化反应是指在无氧条件下,反硝化菌将硝酸盐氮(NO3-)还原为氮气(N2)的过程。其反应如下:

4NO3-+?5C(有机C)+H2O→2N2↑+5CO2+OH-

       反硝化菌属异养型兼性厌氧菌,在有氧存在时,它会以O2为电子受体进行好氧呼吸;在无氧而有NO3-或NO2-存在时,则以NO3-或NO2-为电子受体,以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。反硝化过程中,理论的C/N应为2.86。当废水中的C/N大于2.86时才能充分满足反硝化对碳源的要求。废水中C/N愈小,反硝化去除率也愈低,工程运行中一般控制C/N在3.0以上。

       生物处理对氨氮的降解彻底、运行费用低。是目前应用最为广泛的脱氮技术。传统的生物脱氮工艺是由Barth基于氨化、硝化及反硝化反应过程建立的三级活性污泥工艺。该系统因细菌生长环境条件优越,能够快速彻底地去除总氮。但该工艺流程复杂、处理设备多。上世纪80年代初开创的前置反硝化工艺A/O,以其流程简单、碳源和碱度需求低的优势迅速成为一种重要的生物脱氮工艺。此后随着研究的深入,先后出现了生物接触氧化脱氮工艺、氧化沟脱氮工艺、SBR脱氮工艺及MBR脱氮工艺等新的生物处理技术。

1.6.2生物脱氮新工艺——短程硝化/反硝化

       生物脱氮新技术的研究主要集中在开发一些低能耗、高效率、低投资的工艺。目前是通过选择抑制性物质或限制硝化菌的活性,使氨氮氧化为亚硝酸盐并积累,然后对其进行反硝化脱氮的短程硝化/反硝化。此法所需的氧量和电子供体量将分别减少25%和40%。

       根据研究,通过控制pH:7.8~8.0、DO:2.0mg/L、温度:25~30℃等条件,可促使亚硝化菌成为优势菌,将大部分氨氮氧化为亚硝酸根。亚硝化菌对环境的变化很敏感。为了能获得稳定和较高的氨氮亚硝化率,必须保证适宜亚硝化菌生长的环境条件并限制硝化菌的活性。因此,目前亚硝化菌筛选和培育的研究也十分活跃。

2、常用技术运行费用分析

       上述几种方法中,从技术上讲都是可行的,确定采用哪种方法关键在于处理工艺投资、运行成本以及运行可靠性,各类处理法处理1kg氨氮的成本估算比较见表1。

各类处理法处理1kg氨氮的运行费用

3、结论

       目前氨氮处理法分为两类:一类为物化法,包括吹脱法、MAP沉淀法、膜法、折点加氯法和离子交换法;第二类为生物脱氮法,包括硝化和亚硝化/反硝化工艺。对于高浓度污水氨氮污水来说,一般可采用空气吹脱法、蒸汽汽提法、MAP沉淀法进行预处理,回收氨产品以补偿运行成本;对于中低浓度氨氮污水来说,一般可采用生物脱氮法、离子交换法和高级氧化法。

       目前国内围绕高浓度氨氮废水处理的研究十分活跃,特别是膜吸收技术、湿式催化高级氧化技术及突破传统生物脱氮的短程硝化/反硝化新工艺和新技术等。

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