處理高濃度氨氮廢水以及低濃度氨氮廢水工藝對(duì)比

　　氨氮廢水作為一種很難處理的工業(yè)廢水，也分為低濃度和高濃度，兩種廢水處理方法不同。本文詳解高濃度氨氮廢水和低濃度氨氮廢水處理工藝，詳細(xì)對(duì)比見下文。

　　高濃度氨氮廢水處理技術(shù)

　　氨氮質(zhì)量濃度大于500mg/L 的廢水稱為高濃度氨氮廢水。工業(yè)廢水和城市生活污水中氨氮的含量急劇上升，呈現(xiàn)氨氮污染源多、排放量大，并且排放的濃度增大的特點(diǎn)。針對(duì)高氨氮廢水的處理技術(shù)主要使用吹脫法、化學(xué)沉淀法等。

　　一、吹脫法

　　將空氣通入廢水中，使廢水中溶解性氣體和易揮發(fā)性溶質(zhì)由液相轉(zhuǎn)入氣相，使廢水得到處理的過程稱為吹脫，常見的工藝流程見圖1。

　　吹脫法的基本原理是氣液相平衡和傳質(zhì)速度理論。將氨氮廢水pH 調(diào)節(jié)至堿性，此時(shí)，銨離子轉(zhuǎn)化為氨分子，再向水中通入氣體，使其與液體充分接觸，廢水中溶解的氣體和揮發(fā)性氨分子穿過氣液界面，轉(zhuǎn)至氣相，從而達(dá)到去除氨氮的目的。常用空氣或水蒸氣作載氣，前者稱為空氣吹脫，后者稱為蒸汽吹脫。

　　蒸汽吹脫法效率較高，氨氮去除率能達(dá)到90%以上，但能耗較大，一般應(yīng)用在煉鋼、化肥、石油化工等行業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)是可回收利用氨，經(jīng)過吹脫處理后可回收到氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)30%以上的氨水?？諝獯得摲ǖ男孰m比蒸汽法的低，但能耗低、設(shè)備簡單、操作方便。在氨氮總量不高的情況下，采用空氣吹脫法比較經(jīng)濟(jì)，同時(shí)可用硫酸作吸收劑吸收吹脫出的氨氮，生成的硫酸銨可制成化肥。

　　但是在大規(guī)模的氨吹脫-汽提塔生產(chǎn)過程中， 產(chǎn)生水垢是較棘手的問題。通過安裝噴淋水系統(tǒng)可有效解決軟質(zhì)水垢問題，可是對(duì)于硬質(zhì)水垢，噴淋裝置也無法消除。此外，低溫時(shí)氨氮去除率低，吹脫的氣體形成二次污染。因此，吹脫法一般與其他氨氮廢水處理方法聯(lián)合運(yùn)用，用吹脫法對(duì)高濃度氨氮廢水進(jìn)行預(yù)處理。最佳吹脫工藝條件，見表1。

　　通過對(duì)比分析表1 可以得出：(1)吹脫法普遍適宜的pH 在11 附近;(2)考慮經(jīng)濟(jì)因素，溫度在30~40 ℃附近較為可行，且處理率高;(3)吹脫時(shí)間為3 h左右;(4)氣液比在5 000∶1 左右效果較好，且吹脫溫度越高，氣液比越小;(5)吹脫后廢水的濃度可降低到中低濃度;(6)脫氮率基本保持90%以上。盡管吹脫法可以將大部分氨氮脫除， 但處理后的廢水中氨氮仍然高達(dá)100 mg/L 以上，無法直接排放，還需要后續(xù)深度處理。

　　二、化學(xué)沉淀法(磷酸銨鎂沉淀法)

　　化學(xué)沉淀法的原理，是向氨氮污水中投加含Mg2+ 和PO43- 的藥劑， 使污水中的氨氮和磷以鳥糞石(磷酸銨鎂)的形式沉淀出來，同時(shí)回收污水中的氮和磷。

　　化學(xué)沉淀法的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在： 工藝設(shè)計(jì)操作相對(duì)簡單;反應(yīng)穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響小，抗沖擊能力強(qiáng);脫氮率高，效果明顯，生成的磷酸銨鎂可作為無機(jī)復(fù)合肥使用，解決了氮的回收和二次污染的問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。磷酸銨鎂沉淀法適用于處理氨氮濃度較高的工業(yè)廢水， 表2 總結(jié)了一些使用化學(xué)沉淀法處理氨氮廢水的案例。

　　通過對(duì)表2 的比較， 磷酸銨鎂沉淀法處理氨氮廢水的適宜條件是：pH 約為9.0，n(P)∶n(N)∶n(Mg)在1∶1∶1.2 左右，磷酸銨鎂沉淀法的脫氮率能維持在較高水平，普遍能夠達(dá)到90%以上。

　　低濃度氨氮工業(yè)廢水處理技術(shù)

　　廢水中氨氮的構(gòu)成主要有兩種，一種是氨水形成的氨氮，一種是無機(jī)氨形成的氨氮，主要是硫酸銨、氯化銨等。氨氮是造成水體富營養(yǎng)化的重要因素之一， 對(duì)這類污水進(jìn)行回收利用時(shí)還會(huì)對(duì)管道中的金屬產(chǎn)生腐蝕作用， 縮短設(shè)備和管道的壽命，增加維護(hù)成本。目前工業(yè)上常用于處理低濃度氨氮的技術(shù)主要有吸附法、折點(diǎn)氯化法、生物法、膜技術(shù)等。

　　一、吸附法

　　吸附是一種或幾種物質(zhì)(稱為吸附物)的濃度在另一種物質(zhì)(稱為吸附劑)表面上自動(dòng)發(fā)生變化的過程， 其實(shí)質(zhì)是物質(zhì)從液相或氣相到固體表面的一種傳質(zhì)現(xiàn)象。

　　吸附法是處理低濃度氨氮廢水較有發(fā)展前景的方法之一。吸附法常利用多孔性固體作為吸附劑，根據(jù)吸附原理不同可分為物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附。處理低濃度氨氮廢水較為理想的是離子交換吸附法，它屬于交換吸附方法的一種，利用吸附劑上的可交換離子與廢水中的NH4+ 發(fā)生交換并吸附NH3 分子以達(dá)到去除水中氨的目的， 這是一個(gè)可逆過程， 離子間的濃度差和吸附劑對(duì)離子的親和力為吸附過程提供動(dòng)力。

　　具有良好吸附性能且常用的吸附劑有： 沸石、活性炭、煤炭、離子交換樹脂等，根據(jù)其吸附原理的不同，這些吸附材料對(duì)不同吸附物的吸附效果不同。

　　該法一般只適用于低濃度氨氮廢水， 而對(duì)于高濃度的氨氮廢水， 使用吸附法會(huì)因吸附劑更換頻繁而造成操作困難， 因此需要結(jié)合其他工藝來協(xié)同完成脫氮過程。供吸附法使用的吸附劑很多， 但不同吸附劑對(duì)廢水中氨氮的吸附量卻有很大不同， 表3 對(duì)比了部分吸附劑的吸附效果。

　　由表3 可以看出，對(duì)于傳統(tǒng)的吸附劑如沸石、交換樹脂等， 其對(duì)氨氮的處理率較高， 一般能達(dá)到90%以上。

　　二、折點(diǎn)氯化法

　　折點(diǎn)氯化法是污水處理工程中常用的一種脫氮工藝，其原理是將氯氣通入氨氮廢水中達(dá)到某一臨界點(diǎn)，使氨氮氧化為氮?dú)獾幕瘜W(xué)過程，其反應(yīng)方程式為：NH4++1.5HOCl→0.5N2+1.5H2O+2.5H++1.5Cl-

　　折點(diǎn)氯化法的優(yōu)點(diǎn)為：處理效率高且效果穩(wěn)定，去除率可達(dá)100%;該方法不受鹽含量干擾，不受水溫影響，操作方便;有機(jī)物含量越少時(shí)氨氮處理效果越好，不產(chǎn)生沉淀;初期投資少，反應(yīng)迅速完全;能對(duì)水體起到殺菌消毒的作用。

　　但是折點(diǎn)氯化法僅適用于低濃度廢水的處理， 因此多用于氨氮廢水的深度處理。該方法的缺點(diǎn)是：液氯消耗量大，費(fèi)用較高，且對(duì)液氯的貯存和使用的安全要求較高， 反應(yīng)副產(chǎn)物氯胺和氯代有機(jī)物會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。

　　三、生物法

　　生物法是指廢水中的氨氮在各種微生物作用下，通過硝化、反硝化等一系列反應(yīng)最終生成氮?dú)?，從而達(dá)到去除的目的，其脫氮途徑如圖2 所示。對(duì)于可生化性高的廢水(BOD/COD>0.3)，氨氮可通過生物法脫除。

　　生物法具有操作簡單、效果穩(wěn)定、不產(chǎn)生二次污染且經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)為占地面積大，處理效率易受溫度和有毒物質(zhì)等的影響且對(duì)運(yùn)行管理要求較高。同時(shí)，在工業(yè)運(yùn)用中應(yīng)考慮某些物質(zhì)對(duì)微生物活動(dòng)和繁殖的抑制作用。此外，高濃度的氨氮對(duì)生物法硝化過程具有抑制作用， 因此當(dāng)處理氨氮廢水的初始質(zhì)量濃度<300 mg/L 時(shí)，采用生物法效果較好。

　　1、傳統(tǒng)生物硝化反硝化技術(shù)

　　傳統(tǒng)生物硝化反硝化脫氮處理過程包括硝化和反硝化兩個(gè)階段。硝化過程是指在好氧條件下，在硝酸鹽和亞硝酸鹽菌的作用下， 氨氮可被氧化成硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮;再通過缺氧條件，反硝化菌將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原成氮?dú)猓?從而達(dá)到脫氮的目的。

　　傳統(tǒng)生物硝化反硝化法中，較成熟的方法有A/O 法、A2/O 法、SBR 序批式處理法、接觸氧化法等。

　　它們具有效果穩(wěn)定、操作簡單、不產(chǎn)生二次污染、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但該法也存在一些弊端，如必須補(bǔ)充相應(yīng)的碳源來配合實(shí)現(xiàn)氨氮的脫除， 使運(yùn)行費(fèi)用增加;碳氮比較小時(shí)，需要進(jìn)行消化液回流，增加了反應(yīng)池容積和動(dòng)力消耗;硝化細(xì)菌濃度低，系統(tǒng)投堿量大等。

　　2、新型生物脫氮技術(shù)

　　(1)短程硝化反硝化技術(shù)。短程硝化反硝化是在同一個(gè)反應(yīng)器中，先在有氧的條件下，利用氨氧化細(xì)菌將氨氧化成亞硝酸鹽，阻止亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化，然后直接在缺氧的條件下， 以有機(jī)物或外加碳源作為電子供體，將亞硝酸鹽進(jìn)行反硝化生成氮?dú)狻?o:p>

　　短程硝化反硝化與傳統(tǒng)生物脫氮相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于活性污泥法，可節(jié)省25%的供氧量，降低能耗;節(jié)省碳源，一定情況下可提高總氮的去除率;提高了反應(yīng)速率， 縮短了反應(yīng)時(shí)間， 減少反應(yīng)器容積。但由于亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌之間關(guān)系緊密，每個(gè)影響因素的變化都同時(shí)影響到兩類細(xì)菌， 而且各個(gè)因素之間也存在著相互影響的關(guān)系， 這使得短程硝化反硝化的條件難以控制。

　　(2)同時(shí)硝化反硝化技術(shù)。當(dāng)硝化與反硝化在同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行時(shí)， 即為同時(shí)硝化反硝化(SND)。廢水中溶解氧受擴(kuò)散速度限制，在微生物絮體或者生物膜的表面，溶解氧濃度較高，利于好氧硝化菌和氨化菌的生長繁殖，越深入絮體或膜內(nèi)部，溶解氧濃度越低，形成缺氧區(qū)，反硝化細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，從而形成同時(shí)硝化反硝化過程。

　　有實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)DO 為1mg/L，C/N=30，pH=7.2 時(shí)，COD、NH4+-N、TN 去除率分別為96%、95%、92%， 并發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)，升高或降低反應(yīng)器內(nèi)DO 濃度后，TN 去除率都會(huì)下降。同時(shí)硝化反硝化法節(jié)省反應(yīng)器， 縮短了反應(yīng)時(shí)間，且能耗低、投資省。

　　(3)厭氧氨氧化技術(shù)。厭氧氨氧化是指在缺氧或厭氧條件下，微生物以NH4+為電子受體，以NO2-或NO3- 為電子供體進(jìn)行的將NH4+。

　　厭氧氨氧化技術(shù)可以大幅度地降低硝化反應(yīng)的充氧能耗，免去反硝化反應(yīng)的外源電子供體，可節(jié)省傳統(tǒng)硝化反硝化過程中所需的中和試劑， 產(chǎn)生的污泥量少。但目前為止，其反應(yīng)機(jī)理、參與菌種和各項(xiàng)操作參數(shù)均不明確。

　　四、膜技術(shù)

　　1、反滲透技術(shù)

　　反滲透技術(shù)是在高于溶液滲透壓的壓力作用下，借助于半透膜對(duì)溶質(zhì)的選擇截留作用，將溶質(zhì)與溶劑分離的技術(shù)，具有能耗低、無污染、工藝先進(jìn)、操作維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。利用反滲透技術(shù)處理氨氮廢水的過程中， 設(shè)備給予足夠的壓力，水通過選擇性膜析出，可用作工業(yè)純水，而膜另一側(cè)氨氮溶液的濃度則相應(yīng)增高，成為可以被再次處理和利用的濃縮液。在實(shí)際操作中，施加的反滲透壓力與溶液的濃度成正比， 隨著氨氮濃度的升高，反滲透裝置所需的能耗就越高，而效率卻是在下降。

　　2、電滲析法

　　電滲析是在外加直流電場(chǎng)的作用下， 利用離子交換膜的選擇透過性， 使離子從電解質(zhì)溶液中分離出來的過程。電滲析法可高效地分離廢水中的氨氮，并且該方法前期投入小，能量和藥劑消耗低，操作簡單，水的利用率高，無二次污染副產(chǎn)物。

　　采用自制電滲析設(shè)備對(duì)進(jìn)水電導(dǎo)率為2920 μS/cm， 氨氮質(zhì)量濃度為534.59 mg/L 的氨氮廢水進(jìn)行處理，通過實(shí)驗(yàn)得到在電滲析電壓為55V，進(jìn)水流量為24 L/h 這一最佳工藝參數(shù)條件下，可對(duì)實(shí)驗(yàn)用水有效脫氮的結(jié)論，出水氨氮質(zhì)量濃度為13 mg/L。

　　不同濃度工業(yè)含氨氮廢水的處理方法比較

　　不同氨氮廢水處理方法優(yōu)缺點(diǎn)比較見表4。

　　通過對(duì)以上幾種不同方法的論述， 可以看出目前針對(duì)工業(yè)廢水中高濃度氨氮的處理方法主要使用物理化學(xué)方法做預(yù)處理， 再選擇其他方法進(jìn)行后續(xù)處理，雖能取得較好的處理效果，但仍存在結(jié)垢、二次污染的問題。

　　對(duì)低濃度的氨氮廢水較常用的方法為化學(xué)法和傳統(tǒng)生物法， 其中化學(xué)法的一些處理技術(shù)還不成熟，未在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，因此還無法滿足工業(yè)對(duì)低濃度氨氮廢水深度處理的要求; 生物法能較好地解決二次污染問題， 且能達(dá)到工業(yè)對(duì)低濃度氨氮廢水深度處理的要求， 但目前對(duì)微生物的選種和馴化還不完全成熟。