工业废水中氨氮处理方法比较分析(上)
2022-06-06 来自: 环保水圈 浏览次数:379
近年来,我国社会经济高速发展,对矿产资源尤其是稀土资源产生了巨大需求。然而,稀土冶炼过程中会产生大量高氨氮废水。我国已将氨氮纳入了“十二五”环境污染物约束性控制指标,对冶炼行业废水排放制定了更为严格的标准,规定从2012年开始,铅锌行业废水氨氮直接排放标准需控制在8mg/L以下。在此背景下,如何选用经济的方法对其进行处理,已成为水污染控制工程技术研究方向。
目前,工业氨氮废水处理的方法主要有物理化学方法和生物方法,其中,常用的吹脱法、吸附法、膜技术、化学沉淀法、化学氧化法属于物理化学方法。生物方法可分为传统硝化反硝化法和新型的短程硝化反硝化法、同时硝化反硝化法、厌氧氨氧化法等。
但是由于水质指标的不同和工艺条件的限制,针对不同类别的废水,采用的处理技术有很大差异,如在高浓度氨氮废水处理过程中常采用吹脱-生物法、吹脱-折点氯化法、化学沉淀-生物法等;而在低浓度氨氮废水处理中考虑到成本和效益问题常采用吸附法、生物法等。将对含氨氮废水不同处理技术及其效果等进行分析和总结,为其工业化处理过程中在选择工艺方法和设计参数时提供参考。
一、高浓度氨氮废水处理技术
高浓度氨氮废水是指氨氮质量浓度大于500mg/L的废水。伴随石油、化工、冶金、食品和制药等工业的发展,以及人民生活水平的不断提高,工业废水和城市生活污水中氨氮的含量急剧上升,呈现氨氮污染源多、排放量大,并且排放的浓度加大的特点。目前针对高氨氮废水的处理技术主要使用吹脱法、化学沉淀法等。
1、吹脱法
将空气通入废水中,使废水中溶解性气体和易挥发性溶质由液相转入气相,使废水得到处理的过程称为吹脱。
吹脱法的基本原理是气液相平衡和传质速度理论。将氨氮废水pH调节至碱性,此时,铵离子转化为氨分子,再向水中通入气体,使其与液体充分接触,废水中溶解的气体和挥发性氨分子穿过气液界面,转至气相,从而达到去除氨氮的目的。常用空气或水蒸气作载气,前者称为空气吹脱,后者称为蒸汽吹脱。
蒸汽吹脱法效率较高,氨氮去除率能达到百分之九十以上,但能耗较大,一般应用在炼钢、化肥、石油化工等行业,其优点是可回收利用氨,经过吹脱处理后可回收到氨质量分数达百分之三十以上的氨水。空气吹脱法的效率虽比蒸汽法的低,但能耗低、设备简单、操作方便。在氨氮总量不高的情况下,采用空气吹脱法比较经济,同时可用硫酸作吸收剂吸收吹脱出的氨氮,生成的硫酸铵可制成化肥。但是在大规模的氨吹脱-汽提塔生产过程中,产生水垢是较棘手的问题。通过安装喷淋水系统可有效解决软质水垢问题,可是对于硬质水垢,喷淋装置也无法消除。此外,低温时氨氮去除率低,吹脱的气体形成二次污染。因此,吹脱法一般与其他氨氮废水处理方法联合运用,用吹脱法对高浓度氨氮废水进行预处理。
许多学者对吹脱法用于不同的氨氮废水处理进行了实验研究,分别得到吹脱工艺条件。
通过对比分析可以得出:
(1)吹脱法普遍适宜的pH在11附近;
(2)考虑经济因素,温度在30~40℃附近较为可行,且处理率高;
(3)吹脱时间为3h左右;
(4)气液比在5000∶1左右效果较好,且吹脱温度越高,气液比越小;
(5)吹脱后废水的浓度可降低到中低浓度;
(6)脱氮率基本保持百分之九十以上。尽管吹脱法可以将大部分氨氮脱除,但处理后的废水中氨氮仍然高达100mg/L以上,无法直接排放,还需要后续深度处理。
2、化学沉淀法(磷酸铵镁沉淀法)
化学沉淀法的原理,是向氨氮污水中投加含Mg2+和PO43-的药剂,使污水中的氨氮和磷以鸟粪石(磷酸铵镁)的形式沉淀出来,同时回收污水中的氮和磷。
化学沉淀法的优点主要表现在:工艺设计操作相对简单;反应稳定,受外界环境影响小,抗冲击能力强;脱氮率高,生成的磷酸铵镁可作为无机复合肥使用,因此解决了氮的回收和二次污染的问题,具有良好的经济和环境效益。
磷酸铵镁沉淀法适用于处理氨氮浓度较高的工业废水,总结了一些使用化学沉淀法处理氨氮废水的案例。
磷酸铵镁沉淀法处理氨氮废水的适宜条件是:pH约为9.0,n(P)∶n(N)∶n(Mg)在1∶1∶1.2左右,磷酸铵镁沉淀法的脱氮率能维持在较高水平,普遍能够达到百分之九十以上。
二、低浓度氨氮工业废水处理技术
由于技术和处理成本方面的原因,我国许多企业在排放污水时仅对COD进行深度处理,而往往忽略了对低浓度氨氮的处理。废水中氨氮的构成主要有两种,一种是氨水形成的氨氮,一种是无机氨形成的氨氮,主要是硫酸铵、氯化铵等。氨氮是造成水体富营养化的重要因素之一,对这类污水进行回收利用时还会对管道中的金属产生腐蚀作用,缩短设备和管道的寿命,增加维护成本。目前工业上常用于处理低浓度氨氮的技术主要有吸附法、折点氯化法、生物法、膜技术等。
1、吸附法
吸附是一种或几种物质(称为吸附物)的浓度在另一种物质(称为吸附剂)表面上自动发生变化的过程,其实质是物质从液相或气相到固体表面的一种传质现象。
吸附法是处理低浓度氨氮废水较有发展前景的方法之一。吸附法常利用多孔性固体作为吸附剂,根据吸附原理不同可分为物理吸附、化学吸附和交换吸附。处理低浓度氨氮废水较为理想的是离子交换吸附法,它属于交换吸附方法的一种,利用吸附剂上的可交换离子与废水中的NH4+发生交换并吸附NH3分子以达到去除水中氨的目的,这是一个可逆过程,离子间的浓度差和吸附剂对离子的亲和力为吸附过程提供动力。
具有良好吸附性能且常用的吸附剂有:沸石、活性炭、煤炭、离子交换树脂等,根据其吸附原理的不同,这些吸附材料对不同吸附物的吸附效果不同。
该法一般只适用于低浓度氨氮废水,而对于高浓度的氨氮废水,使用吸附法会因吸附剂更换频繁而造成操作困难,因此需要结合其他工艺来协同完成脱氮过程。
供吸附法使用的吸附剂很多,但不同吸附剂对废水中氨氮的吸附量却有很大不同,表3对比了部分吸附剂的吸附效果。
由表3可以看出,对于传统的吸附剂如沸石、交换树脂等,其对氨氮的处理率较高,一般能达到百分之九十以上。
2、折点氯化法
折点氯化法是污水处理工程中常用的一种脱氮工艺,其原理是将通入氨氮废水中达到某一临界点,使氨氮氧化为氮气的化学过程,其反应方程式为:
NH4++1.5HOCl→0.5N2+1.5H2O+2.5H++1.5Cl-
折点氯化法的优点为:处理效率高且效果稳定,去除率高;该方法不受盐含量干扰,不受水温影响,操作方便;有机物含量越少时氨氮处理效果越好,不产生沉淀;初期投资少,反应迅速完全;能对水体起到杀菌消毒的作用。但是折点氯化法仅适用于低浓度废水的处理,因此多用于氨氮废水的深度处理。该方法的缺点是:消耗量大,费用较高,且贮存和使用的要求较高,反应副产物氯胺和氯代有机物会对环境造成二次污染。宋卫锋等针对含钴废水氨氮高、含盐量高、难以生化处理等特征,采用折点氯化法进行了实验室研究和工程实践。原水水质采用的是西北某镍钴生产基地某车间生产的废水,当废水中七成的氨氮经吹脱工艺去除后,再经折点氯化法处理,出水氨氮质量浓度<15mg。
黄海明等在采用折点氯化法去除NH4+-N的研究过程中,采用模拟废水和实际废水相结合的实验方式进行研究,结果表明针对不同初始浓度的废水,当pH=7,Cl-与NH4+质量浓度比为7∶1,反应时间为10~15min左右时,NH4+-N去除率高。