杨世东，廖路花

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012;2.东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

煤气化废水主要来自煤气发生炉的煤气洗涤、冷凝以及净化等过程。废水中污染物浓度的差异主要与煤的种类、成分、气化工艺及操作等因素有关。其水质极其复杂，煤气化废水的污染物一般由NH+4－N、酚类化合物、硫氰酸盐、氰化物、硫化物、多环芳香族化合物及含氮的杂环有机化合物等组成，基本上所有的煤气化废水都具有－N、酚类及油份浓度高、有毒及抑制性物质多、可生化性小等特点，故生化过程中难以实现有机污染物的完全降解，其排放对环境会造成严重污染，是一种典型的高浓度、高污染、毒性大且难生物降解的有机工业废水［1－5］。

废水的水质特征决定了它的特殊处理方式。一般地，煤气化废水处理分为一级处理、二级处理、三级处理［6－8］。一级处理主要是着眼于有机物质的回收利用，如酚、氨的回收。并且前期的脱酚、蒸氨等化工产品的回收工序亦是污染控制的核心，二级处理即生化处理只占总负荷的20% ～25%。而三级处理主要为实现对COD的进一步去除以及降低废水色度等问题而设置的。

针对煤气化废水的情况，为实现氨氮回收的价值及减轻废水排放对环境造成的负荷影响，本实验研究旨在探讨影响脱氨的几个因素，包括温度、pH值及曝气量，并通过正交试验确定影响脱氨效果因素的主次顺序，从而获得一个高效的脱氨工艺参数组合。同时，试验也分析了氨氮去除率随时间的变化关系，为实现经济吹氨提供技术支撑。

1 实 验

1.1 试验原理

由于水—气间界面的相互作用，据亨利定律［9］:，其中 KH为亨利定律常数，PNH3为氨的分压，R为热力学常数，T为热力学温度，(NH3)g为气相中的浓度。所以通过改变气相中NH3的浓度，以改变液相中NH3的浓度。在液相中，氨氮主要以和游离氨形式存在，两者保持平衡。由可知，通过在碱性条件下使用空气吹脱，吹脱过程中不断排出气体，增加气相中的氨气浓度，进而增加液相中NH3的浓度。氨吹脱是一个传质过程，推动力来自空气中氨的分压与废水中氨浓度相当的平衡分压之间的差，利用载体空气的推动作用下，可不断地将废水中溶解的NH3不断穿过气液界面转移到气相中，使废水中的氨得以脱除［10－12］。

1.2 实验设备

试验中所用的废水取自某煤气化厂，废水已经过酚回收处理。废水的几个主要的污染物指标分别为:CODcr为10 533.6 mg/L，总酚 1 274.2 mg/L，挥发酚 332.97 mg/L，总氮 613.14 mg/L，氨氮 418.8 mg/L。试验过程所用到的设备包括简易曝气头、恒温水浴锅、pH测定仪及721型可见—紫外分光光度计等。

1.3 水质分析方法

水质分析方法采用《水和废水监测分析方法》［13］，其中CODcr检测采用重铬酸钾法，总酚测定采用紫外分光光度法，挥发酚的测定采用4－氨基安替比林直接光度法，总氮的测定采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法，氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法，测定原理是根据水中的氨氮与纳氏试剂作用生成棕黄色胶态化合物［Hg2ONH2］I:NH3+2K2HgI4+KOH→［Hg2ONH2］I+7KI+2H2O，在410 nm 波长下，测定吸光光度值，用标准曲线法求出水中氨氮的含量。

1.4 试验过程

试验采用正交法，采用三因素三水平正交。三个因素分别为温度、pH值及曝气量。温度的选用的水平为:25℃、30℃、35℃，采用普通水银温度计进行测定;pH值选用的水平为:10、11、12，采用雷磁PHS－25酸度计进行测定;曝气量0.4 L/min、0.8 L/min、1.33 L/min。每次试验采用1 L的大烧杯取400 mL的煤气化废水，调节废水的pH值后，置于恒温水浴锅中，然后分别在不同的温度、曝气量下进行试验。试验过程中，每10分钟取一次样进行分析以测定氨氮的含量，同时为分析氨氮去除率随时间的变化关系，进行了试验的补充。

2 试验结果分析

2.1 正交试验设计

为考察煤气化废水脱氨效率，以温度、pH值、曝气量三个因素安排正交因素表L9(33)，表1为进行脱氨试验，试验时间为60 min，如表2所示。

表1 正交试验因素和水平

表2 正交实验方案与结果

(续)表2

2.2 正交试验与验证

表2为正交试验计算结果，由表可以看出，对脱氨结果影响最大的是B(pH值)，其次为C(曝气量)，最后是A(温度)。最适宜的工艺参数为A3B3C3，即pH值为12、曝气量为1.33 L/min、温度为35℃时，脱氨效果最好，氨氮去除率约为43%。

根据上述结果，取处于最适工艺参数进行验证，结果见表3。由表可看出，氨氮去除率均在43%左右，这与正交试验结果基本一致。3次试验的氨氮去除率分别为在43.7%，43.5%，43.1%。这验证了正交试验所得工艺参数的正确性。

表3 正交试验的验证结果

2.3 氨氮去除与吹脱时间关系

为进一步探讨时间对氨氮去除效果的关系，在两种工艺参数条件下分析氨氮去除率随时间的变化关系。分别在pH值为12.06、曝气量为1.33 L/min、温度为35.4℃;pH 值为 12.03、曝气量为 1.33 L/min、温度为25.0℃对废水进行两小时的吹脱试验，2 h后测得废水pH值分别为9.88和10.0。氨氮去除率随时间变化关系如图1所示，由图1可知，在60 min前，T=35℃与T=25℃的氨氮去除随时间的变化率相当，而在60～120 min，T=35℃条件下的氨氮去除变化率大于T=25℃的。说明氨吹脱在60 min内，氨氮的去除率主要受pH值控制，而两种条件下的pH值相同，故氨氮去除率随时间的变化时相当的，而在60～120 min，氨氮的去除率主要取决于温度，所以T=35℃时脱氨效率要高于T=25℃的。

图1 氨氮去除率随时间的变化关系

图2 不同pH值下氨氮去除率随时间变化关系

笔者在试验过程中，发现在较低pH值条件下，氨氮去除率并不是随时间的延长而增加的，出现了反常现象。如图2所示。出现这种现象的原因之一是随着曝气时间的增加，在碱度不足时，反应朝逆向移动［14－15］，原因之二是废水中含有一定浓度的硫氰酸盐［16］，存在氧的条件下，硫氰酸盐先被水解为氰酸盐和硫化物，然后氰酸盐再次水解为氨根和重碳酸根，总反应式可以如下表示H+。图中3个试验都是在T=25℃，曝气量为0.4 L/min下进行，不同的是pH值。由图可知，pH=9.0时，氨氮去除率随时间波动最为剧烈在30 min时，氨氮浓度反而比原水的大。在60 min时，pH值变为8.61，可推测硫氰酸盐的最大水解度是发生在8.6到9.0之间。所以，若要在较低pH值下去除小部分氨氮，吹脱时间不要过长，可控制在半小时内。

同时试验证明，，可以减弱硫氰酸盐、氰酸盐的水解作用，随着温度及曝气量的增加，氨氮去除率基本随时间的增加而增加，反常现象逐渐减弱，当T=35℃，曝气量为1.33 L/min条件下，反常现象消失，如图3所示。其中试验1条件:T=25℃，pH=10.05，曝气量为0.4 L/min;试验2条件:T=30℃，pH=10.03，曝气量为 0.8 L/min;试验3 条件:T=35 ℃，pH=10.05，曝气量为1.33L/min。

3 结 论

(1)通过正交试验确定了温度、pH值、曝气量对吹氨效率的主次顺序即pH值＞曝气量＞温度;在CODcr为10 533.6 mg/L，总酚1 274.2 mg/L，挥发酚332.97 mg/L，总氮 613.14 mg/L，氨氮 418.8 mg/L水质条件下，吹氨的pH=12，T=35℃，曝气量为1.33 L/min，吹氨60 min，脱氨效率为43%左右，且随吹脱时间的增加，去除率也随之增加。

(2)在pH值为12±0.1、曝气量为1.33 L/min条件下，在60 min内，氨氮的去除率主要受pH值控制，随时间的增长去除率增加;在60－120 min，氨氮的去除率主要取决于温度，提高温度有助于脱氨效率的增加。

(3)在较低pH值条件下，氨氮去除率并不是随时间的延长而增加的，出现了反常现象。通过提高氨吹脱的温度及曝气量，该现象可以减弱甚至消失。

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