复合解氨剂处理高浓度氨氮废水的实验研究

2022-01-14罗军张欢赖祖明

科学技术创新 2021年35期

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）

随着城镇化进程的不断加快，日益严重的水体污染问题成为破坏生态环境的重要因素。由氨氮废水超标排放导致水体富营养化是当今世界亟需解决的最重要的环境污染问题之一。废水的氨氮浓度不同可划分为三类：(1) 高浓度氨氮废水：NH3-N>500mg/L；(2) 中等浓度氨氮废水：NH3-N 为50-500mg/L；(3) 低浓度氨氮废水：NH3-N<50mg/L。目前包括物化法（如吹脱法、折点氯化法、化学沉淀法、离子交换法等）和生物法在内的多种处理方式在处理高浓度氨氮废水方面仍存在不少问题，不能满足高效、经济、节能的脱氮要求。

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，通过解氨剂协同吹脱法处理高浓度氨氮废水的单因素实验研究，证明解氨剂在吹脱法中起的协同作用，并得到最佳工艺参数，为市场化应用提供数据参考。

1 实验装置与试验步骤

实验装置见图1。将100mL 浓度为10850mg/L 的高浓度氨氮废水置于250mL 烧杯中，加入一定量的氢氧化钠调节pH 值并与配置好的解氨剂混合后放入恒温摇床，使其溶解均匀。通过恒温水浴锅调节氨氮废水温度后将曝气头放入烧杯中进行曝气。实验结束后测定氨氮浓度，并计算脱氮率。

图1

2 实验结果与讨论

2.1 pH 对氨氮脱除效果的影响

在温度为35℃，解氨剂与废水混匀时间20min，解氨剂投加量为50mg/L 的实验条件下。改变废水溶液的pH分别为3、5、7、8、9、10、11、12 后测定其剩余浓度并计算脱氮率，实验结果见图2。

图2 pH 对氨氮脱除效率的影响

由图2 可知，脱氮率变化曲线有两个比较明显的转折点，分别当pH=7 和pH=10 时。当pH＜7时，脱氮率随pH 上升而提高，但依旧较低，不足50%。若pH 持续上升到10 时可以发现单位pH 升高范围内氨氮去除率不断提高的同时脱氮率提高速率也在加快。此时若pH 继续从10 上升到12，虽脱氮率也在上升，但上升速率明显放缓，超过12 时几乎无变化，脱氮率最高达到96.6%。由此可以发现，pH 对氨氮去除率具有重大影响，主要原因是pH直接影响氨氮溶液电离平衡关系：NH4++OH-NH3+H2O。提高pH 至碱性，平衡向生成游离氨的方向移动，游离氨所占比例增加。若pH 值在11 左右时，游离氨（NH3）所占比例达到90%以上。此时采用空气或蒸汽吹脱，游离氨将从水中逸出，从而实现脱氮。在pH＞11 时，脱氮率变化几乎为零，综合考虑下本实验认为pH=11 为最佳反应条件。

2.2 温度对氨氮脱除效果的影响

在pH=11，解氨剂投加量50mg/L，解氨剂与废水混匀时间20min 的实验条件下，设定温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，实验结果见图3。

图3 温度对氨氮脱除效率的影响

由图3 可知，提高温度能提升氨氮的脱除效率，尤其在10～30℃区间段脱氮率提升效果明显，继续提高到70℃时脱氮率变化不大并趋于稳定。

图3 解氨剂投加量对氨氮脱除效率的影响

提高温度促进脱氮率提升主要存在两个原因：一是游离氨的生成反应是吸热反应，升高温度，能改善游离氨的生成环境。二是氨氮在水中的溶解度会因温度的提升而降低[1]。研究表明温度每升高l0℃，氨在水中的溶解度将下降20%[2]。结合实验结果与经济效益等因素，本实验选取35℃为最适温度。

2.3 解氨剂投加量对氨氮脱除效果的影响

吹脱法脱氮的依据是气液传质原理[3]。近年来广大科研人员围绕传质机理、特性、传质膜系数改变方法等方面进行了大量研究[4-6]，证实表面活性剂协同吹脱法处理氨氮废水能明显提高氨氮脱除率。设定实验条件：pH=11，温度为35℃，解氨剂与废水混匀时间20min，研究解氨剂的投加量对实验结果的影响，实验结果见图4。

由图4 可知，溶液剩余氨氮浓度随解氨剂投加量增加而不断降低，并在投加量50mg/L 时浓度达到最低点，脱氮率达到96.4%。因此，本实验选择解氨剂50mg/L 为最佳反应条件。若进一步加大投加量时，脱氮率不降反升，原因在于过多的解氨剂会使液面形成一层厚的泡沫层，导致液膜阻力增大，进而降低气液传质效率，使脱氮率下降。

2.4 解氨剂与废水的混匀时间对氨氮脱除效果的影响

在pH=11，温度35℃，解氨剂的投加量50mg/L 的实验条件下，研究解氨剂与废水的混匀时间对实验结果的影响，实验结果见图5。

图5 混匀时间对氨氮脱除效率的影响

由图5 可知，延长解氨剂与废水的混匀时间能促进脱氮率的提高。解氨剂含有大量的自由基和活性基团[7]，延长混匀时间能增加解氨剂与废水中氨氮的反应时间，降低水分子与NH3分子间的黏聚力,促使游离氨生成。此外，解氨剂还具有降低废水表面张力，增大气液接触面积的作用，从而促使气液传质效率提升。同时可发现，超过30min 后混匀时间与脱氮效率不成正比，而是趋于稳定。因此，本实验选择30min 为最佳混匀时间。