剩余氨水是焦化废水的主要来源，其水量大、水质复杂、污染物浓度高，其中氨氮含量高达3000～5000 mg·L-1。如果不经处理就大量排放，不仅会污染水环境，而且会造成用水设备中微生物繁殖，形成生物垢，堵塞管道和用水设备，影响热交换[1]。国内外成熟的氨氮脱除方法有生物法、蒸氨法、催化湿式氧化法[2]、化学沉淀法[3]及煤气吹脱氨技术[4]等。

武钢焦化厂将脱硫工序产生的废碱液用于分解氨水中的固定氨(废碱液的主要组分是Na2CO3，还含有少量的Na2S和NaHCO3)，实现了废物的综合利用，降低了生产成本，但废碱液对固定氨的分解效果并不太好，蒸氨塔出塔废水中总氨含量为400～500 mg·L-1，超过后续处理所规定的达标值300 mg·L-1。为了进一步降低焦化废水中的固定氨含量，作者采用微波加热和空气吹脱联合处理工艺，对剩余氨水中氨氮进行脱除，以使剩余氨水中氨氮含量低于300 mg·L-1。

1 实验

1.1 原理

1.2 仪器

PJ23 c-sc1型美的微波炉，ZB-0.01/7型微型空气压缩机，DP-125型微型高压隔膜泵，玻璃反应釜，转子流量计。

1.3 方法

1.3.1 静态实验

取100 mL剩余氨水于500 mL烧杯中，加入1.0008 g氢氧化钠，调节微波功率至720 W，微波辐射5 min，测定剩余氨水中的氨氮含量。

1.3.2 动态实验

在剩余氨水流量为4 mL·min-1、加碱量与剩余氨水的体积比为0.15∶1、微波功率为720 W、空气流量为0.6 m3·h-1的条件下吹脱，测定吹脱平衡后剩余氨水中的氨氮含量。

2 结果与讨论

2.1 微波加热静态实验

2.1.1 加碱量对氨氮脱除率的影响

在100 mL剩余氨水中加入不同量的碱，在微波功率720 W下辐射5 min，考察加碱量对氨氮脱除率的影响，结果见表1。

表1 加碱量对氨氮脱除率的影响

由表1可看出，氨氮脱除率随加碱量的增加而增大。在加碱量为1.0032 g·(100 mL)-1时，脱除率达到最大，为98.14%。这是因为加碱量越大，剩余氨水的碱性越强，溶液中的氨以游离氨的形式存在的比例越大，氨氮脱除率相应增大。

2.1.2 微波辐射时间对氨氮脱除率的影响

在100 mL剩余氨水中加入一定量的碱，微波功率为720 W，考察微波辐射时间对氨氮脱除率的影响，结果见表2。

表2 微波辐射时间对氨氮脱除率的影响

由表2可看出，氨氮脱除率随辐射时间的延长而增大。微波辐射时间不足5 min时，脱除率的增幅较大；微波辐射时间超过5 min时，脱除率的增幅很小。这是因为，微波辐射时间越长，溶液产生热量越大，溶液的温度越高，而氨在剩余氨水中的溶解度随温度的升高而降低，温度越高，越有利于氨氮的脱除。当微波辐射时间超过5 min后，溶液中的氨氮浓度降到很低，气液两相浓度差较小，传质推动力变小，从液相转移到气相的氨变少，使得脱除率增幅变小。

2.1.3 微波功率对氨氮脱除率的影响

在100 mL剩余氨水中加入1.0008 g碱，微波辐射5 min，考察微波功率对氨氮脱除率的影响，结果见表3。

表3 微波功率对氨氮脱除率的影响

由表3可看出，氨氮脱除率随微波功率的增大而增大。微波功率小于720 W时，脱除率增幅很大；微波功率大于720 W时，脱除率增幅很小；微波功率为900 W时，氨氮脱除率达到98.72%。这是因为，微波功率越大，同一时间内溶液产生的热量越大，溶液温度越高，越有利于氨氮的脱除。

2.2 微波加热和空气吹脱动态实验

2.2.1 空气流量对氨氮脱除率的影响(图1)

图1 空气流量对氨氮脱除率的影响

由图1可知，氨氮脱除率随空气流量的增大而升高。空气流量小于0.5 m3·h-1时，脱除率上升较快；空气流量大于0.5 m3·h-1时，脱除率升幅趋缓，此时空气流量对氨氮脱除率影响较小。这是因为，气液传质的速度取决于气液两相的浓度差，当空气流量增大时，气体中氨氮的浓度降低，氨氮在气液两相中的浓度差增大，从而加快了气液的传质速度、强化了溶液中气液两相的传质。因此，选择0.4 m3·h-1、0.5 m3·h-1、0.6 m3·h-1作为空气流量因素的3个水平来进行正交实验。

2.2.2 剩余氨水流量对氨氮脱除率的影响(图2)

图2 剩余氨水流量对氨氮脱除率的影响

由图2可知，随剩余氨水流量的增大，氨氮脱除率逐渐降低。当剩余氨水流量从4 mL·min-1增大到8 mL·min-1时，氨氮脱除率约降低10%。这是因为，剩余氨水流量增大，同一时间内进入反应釜的氨氮量就增加，液相中氨氮浓度增加，气液传质的速度加快，空气带走的氨氮量也会增加，但是同一时间内因气液传质加快带走的氨氮量小于进入反应釜内的氨氮量，因此反应釜内残留氨氮的浓度也就高，导致氨氮脱除率降低。因此，选择4 mL·min-1、6 mL·min-1、8 mL·min-1作为剩余氨水流量因素的3个水平进行正交实验。

2.2.3 加碱量与剩余氨水体积比对氨氮脱除率的影响(图3)

图3 加碱量与剩余氨水体积比对氨氮脱除率的影响

由图3可知，氨氮脱除率随加碱量与剩余氨水体积比的增大而升高， 当加碱量与剩余氨水体积比增加到0.15∶1时，氨氮脱除率升幅趋缓；当加碱量与剩余氨水体积比为0.18∶1时，碱已经过量，溶液中游离氨的浓度趋于稳定，氨氮脱除率也趋于稳定。这是因为，加碱量越大，氢氧根离子浓度越大，反应朝右进行，剩余氨水中游离氨浓度越多，液相中氨的浓度越大，气液两相界面上氨的浓度差越大，氨的扩散速度越快，越利于氨的脱除。因此，选择0.12∶1、0.15∶1、0.18∶1作为加碱量与剩余氨水体积比因素的3个水平进行正交实验。

2.2.4 微波功率对氨氮脱除率的影响(图4)

图4 微波功率对氨氮脱除率的影响

由图4可知，氨氮脱除率随微波功率的增大而升高。当微波功率小于450 W时， 氨氮脱除率升幅较大；当微波功率大于450 W时，氨氮脱除率升幅趋缓。这是因为，微波功率增大，剩余氨水中产生的热量增加，溶液温度快速升高，氨氮脱除率增加较快；而微波功率大于450 W时，剩余氨水短时间内产生的热量很大，有一部分热量被水汽带走，溶液温度升高不显著，导致氨氮脱除率增加较小。因此，选择270 W、450 W、720 W作为微波功率因素的3个水平进行正交实验。

2.2.5 正交实验(表4)

由表4可以看出，各因素对氨氮脱除率的影响大小依次为：剩余氨水流量>微波功率>加碱量与剩余氨水的体积比>空气流量。由表4还可看出，实验9处理效果较好，且与单因素实验得到的最佳实验条件相符；实验5中加碱量较大，导致处理后的剩余氨水的pH值较大，影响剩余氨水的下一级生化处理，因此，确定最佳工艺条件为：剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空气流量0.6 m3·h-1、加碱量与剩余氨水的体积比0.15∶1，此条件下氨氮脱除率达到94.58%，吹脱后剩余氨水中氨氮含量降到了287 mg·L-1。

3 结论

(1)微波加热静态实验中，在微波功率为900 W时加热5 min就能使氨氮脱除率达到98.72%，说明静态实验中采用微波加热法能在短时间内脱除剩余氨水中大量的氨氮。

(2)微波加热和空气吹脱动态实验中，各因素对氨氮脱除率的影响大小依次为：剩余氨水流量>微波功率>加碱量与剩余氨水体积比>空气流量。

(3)动态实验的最佳工艺条件为：剩余氨水流量4 mL·min-1、微波功率720 W、空气流量0.6 m3·h-1、加碱量与剩余氨水体积比0.15∶1，在此条件下，氨氮脱除率达到94.58%，吹脱平衡后氨氮含量为287 mg·L-1。

表4 L9(34)正交实验结果与分析

参考文献：

[1] 周彤.污水的零费用脱氮[J].给水排水，2000，26(2)：37-39.

[2] 李达，杨凤玲，李华，等.浅谈氨氮废水处理技术[J].煤化工，2006,34(2)：25-28.

[3] Li X Z, Zhao Q L,Hao X D. Ammonium removal from landfill leachate by chemical precipitation[J]. Waste Management, 1999, 19(6): 409-415.

[4] 文艳，王光华.煤气脱除解吸法脱除废氨水中氨氮的新技术[J].燃料与化工，2007，38(1)：31-33.