吹脱和吸附协同降解高氨氮废水研究*

2021-10-25胡小宇冉敬文

广州化工 2021年19期

裴军，洪阳，胡小宇，李沙，冉敬文

(黄冈师范学院，催化材料制备及应用湖北省重点实验室，湖北黄冈 438000)

水体中氨氮含量超标，不仅使水环境质量恶化，引起富营养化，还对人类以及动植物身体有严重危害。针对工业废水氨氮的处理及方法研究，既能保护人类健康、提高水质，又能维护生物多样性，促进生态系统的平衡。因此，加强工业废水氨氮处理技术开发具有非常重要的战略意义。

目前废水中氨氮的去除主要方法包括化学法，生物法和物理法[1-3]，其各有优缺点，无论哪一种方法都无法单独使用处理废水达到达标排放的目的，混合使用也要先针对性的对废水进行全面分析，找出影响去除氨氮的因素再对效果进行综合权衡，避免盲目套用，找出最经济、高效的处理方法。

空气吹脱法一般用用于高浓度氨氮的初步处理[4-6]，通过曝气使大部分的游离氨随空气逸出，物理吸收，达到降低水体氨氮的目的，同时也可以吹脱水体中部分弱极性易挥发性有机物。本文采用空气吹脱和活性炭吸附协同处理电子行业高氨氮废水，考察其处理效率及其影响因素，并进行优化。

1 实验

1.1 废水来源

废水来自某电子行业提供的废水，含氨氮5.262 g/L，pH值4.62，均超过国家标准。

1.2 实验仪器与试剂

pHS-3E台式酸度计；5B-6C水质分析仪(用于测定氨氮)；SHZ-D循环水式真空泵；550W-8L空气压缩机；氢氧化钠(AR)；盐酸(AR)。

1.3 实验方法

取一定量的废水，用酸或碱调节废水的pH值，加热至一定的温度，用真空泵抽气或空压机曝气间隔一定时间，取样测定氨氮的含量，再将废水反调至pH接近于5，进入活性炭吸附柱，再取样分析氨氮。本实验考察了温度、pH值、时间等因素对氨氮吹脱的影响。

2 结果与讨论

2.1 pH值对吹脱氨氮的影响

取等量的废水4份，调节pH分别为7，9，10，11，12，加热至50 ℃，曝气，考察吹脱氨氮效果。结果见图1。从图1中可以看出pH值对氨氮的吹脱效率有很大的影响，在pH接近中性时，吹脱效率很低，30 min吹脱不到20%，随着pH值的升高，吹脱效率明显升高，pH越高氨氮吹脱越完全，当pH达到11时，20 min吹脱率达到93%，此后再延长时间，剩余的氨氮也很难吹脱，这说明通过单一吹脱无法达到废水达标排放目标。pH达到碱性，废水中的铵转化成游离氨，进而随空气逸出。

图1 不同pH下吹脱除氨氮试验结果Fig.1 Experimental results of ammonia nitrogen removal by blowing at different pH

2.2 温度对吹脱氨氮的影响

取一定体积的高氨氮废水4份，调节pH至11，在不同温度下曝气，在一定的时间间隔内取样测定氨氮含量，计算吹脱率。结果见图2。从图2中可以看出，温度也是影响氨氮吹脱效率的因素之一。室温下30 min内仅吹脱42%，当温度升高至50 ℃时吹脱效率显著提升，20 min就可以达到最佳效果，继续升温到70 ℃ 15 min即可达到最佳效果。温度对吹脱效率的影响应该归功于能量的升高，游离氨与水分子形成的氢键断裂所致。

图2 温度对吹脱氨氮效率影响试验结果Fig.2 Effect of temperature on ammonia nitrogen removal efficiency

2.3 影响吹脱效率的条件优化

初步实验结果表明，废水温度，pH值和吹脱时间是影响氨氮吹脱效率的最主要因素。为进一步优化条件，根据正交设计法的基本原则，选取温度(A)、pH(B)和时间(C)来进行考察。各因素与水平的对应关系如表1，实验方案及结果如表2所示。

表1 因素与水平的对应关系Table 1 The corresponding relationship between factors and levels

由表2结果可以看出，通过极差来判断，当实验条件在不同水平间变化时，pH值是影响氨氮吹脱率的最主要因素，pH越高，吹脱效率越高，这是铵盐转化成游离氨的结果。其次是温度，温度超高，吹脱效率越高，说明升高温度可以有效减少氨氮在水体的残留量。至于反应时间，影响很小，只要在满足pH和温度的条件下，10 min以上就可以达到较为理想的结果。从能耗和试剂成本考虑我们选择温度为50 ℃，pH为11，吹脱时间20 min来作为工业应用条件。

表2 实验方案、结果及极差分析Table 2 Experimental scheme, results and range analysis

2.4 活性炭吸附

经过吹脱后的氨氮废水还含有5%～7%的氨氮残留，达不到工业废水排放标准。为了进一步处理，通过利用盐酸调节废水pH至5～6.5，活性炭吸附。实验中将一定量的颗粒活性炭填充在直径为10 cm的玻璃柱中，填充高度为1 m，调节废水流速在0.3 L/min左右，保证废水在柱同内停留5～8 min，出水水质优于国家排放标准。