高濃度氨氮廢水的處理技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

摘要 高濃度氨氮廢水的現(xiàn)有處理技術(shù)主要有物化法（吹脫、萃取、沉淀等）和生物強(qiáng)化處理，各種技術(shù)均有成熟規(guī)范和工程實(shí)例，但能耗、效率和二次污染問(wèn)題始終限制著高濃度氨氮廢水的處理。新技術(shù)中超聲技術(shù)和電化學(xué)法的能耗也較高，其研究方向在機(jī)理和過(guò)程；高級(jí)氧化去除氨氮的過(guò)程仍在研究的起步階段，過(guò)程和影響因素均不明；而微波技術(shù)由于節(jié)能高效已經(jīng)進(jìn)入了中試階段，是高濃度氨氮廢水處理的可行方案，但仍需解決微波設(shè)備與處理水量的放大問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 高濃度；氨氮廢水；處理技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）26-09097-02

Technology and Development Trend for Wastewater with High Concentration of Ammonia Nitrogen

HU Lin-long

（Sichuan College of Architecture Technology， Deyang， Sichuan 618000）

Abstract High concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment technology includes physical chemical method （air-stripping， extraction， precipitation， etc.） and biological strengthening processing. Both kinds of technology have mature standards and engineering examples， but the energy consumption， removal efficiency， and secondary pollution have limited the development of high concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment. New technology of ultrasound technology and electrochemical method posses high energy consumption， so that research focuses on mechanism and process； the advanced oxidation process of removing ammonia nitrogen is still at the early stage of the study， with unknown process and influence factors. Because of energy saving and efficient， microwave technology has researches on pilot scale， which make it a feasible solution to high concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment. But still， it needs to solve the problem of amplification and equipment.

Key words High concentration； Ammonia nitrogen wastewater； Treatment technology； Development trend

氨氮是一種水體中常見的無(wú)機(jī)污染物，高濃度氨氮廢水是指氨氮濃度從數(shù)百到上萬(wàn)毫克每升不等的污染廢水。微生物的硝化反硝化作用能使低濃度的氨氮在自然狀態(tài)下去除，而污水中高氨氮濃度導(dǎo)致的低C/N比使得微生物無(wú)法正常利用有機(jī)碳，抑制微生物的活性^[1-2]。部分工業(yè)廢水難生物降解和難處理的主要原因之一就是含有高濃度的氨氮，若不經(jīng)妥善處理就排入自然水體中，將導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化；氨氮被氧化生成的硝酸鹽和亞硝酸鹽會(huì)影響水生生物的生長(zhǎng)^[3]，以致危害人體健康。

國(guó)內(nèi)外對(duì)高氨氮廢水的處理技術(shù)開展了大量研究，也擁有眾多應(yīng)用實(shí)踐。高濃度氨氮主要的處理技術(shù)包括物理化學(xué)法、強(qiáng)化生物處理技術(shù)和包括超聲技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、微波技術(shù)和高級(jí)氧化等的其他新技術(shù)等。

1 主要處理技術(shù)及趨勢(shì)

1.1 物理化學(xué)法

針對(duì)高濃度的氨氮廢水，現(xiàn)有的物理化學(xué)法主要有吹脫法、萃取法和化學(xué)沉淀法。最常用的是吹脫，吹脫的實(shí)質(zhì)是將廢水調(diào)到堿性并使之進(jìn)入吹脫塔，根據(jù)吹脫的介質(zhì)分為蒸汽吹脫和空氣吹脫。蒸汽吹脫效率可高達(dá)90%以上，在煉鋼、化肥、石油化工等有現(xiàn)成蒸汽的行業(yè)和廠礦，高濃度氨氮廢水一般采用蒸汽作為介質(zhì)進(jìn)行吹脫處理?？諝獯得撔时日羝?，但優(yōu)勢(shì)是能耗低，操作方便，設(shè)備及運(yùn)行經(jīng)費(fèi)少，在氨氮去除率要求不太高和處理后氨氮要求不嚴(yán)格的情況下，采用空氣作為吹脫介質(zhì)更為節(jié)省。能夠影響吹脫效率的因素較多，最佳工藝參數(shù)：溫度為25 ℃，pH為10.5～11.0，氣液比為2 900～3 600，水力負(fù)荷為3.51 m3/（m3·h）。對(duì)濃度為1 500～2 500 mg/L的垃圾滲濾液中的氨氮，空氣吹脫效率可達(dá)95%以上^[4]。用硫酸溶液作吸收劑，將吹脫的氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徜@制成化肥，通過(guò)回收利用廢氨來(lái)降低工藝成本，也可開發(fā)制磚或作助燃添加劑以實(shí)現(xiàn)資源與廢物利用^[5]。

萃取法主要利用氨氮與水溶液在溶劑中的不同溶解率將氨氮和水分離。在最佳反應(yīng)條件下，用乳狀液膜分離法預(yù)處理垃圾滲濾液中的氨氮，分離速度快，處理效果達(dá)到87%以上^[6]。但萃取法需要大量有機(jī)溶劑，其后續(xù)的處理和純化耗時(shí)耗能，所以萃取法并不是一種理想的處理方法。

化學(xué)沉淀法也被廣泛研究，MAP工藝的基本原理是向氨氮廢水中投加MgCl₂和Na₂HPO₄，3種鹽反應(yīng)生成MgNH₄PO₄·6H₂O沉淀^[7]。為了減少氯離子的引入，有人提出將MgCl₂改為MgO。周娟貞用化學(xué)沉淀法在各種工藝條件下對(duì)900～7 500 mg/L濃度范圍的氨氮廢水做了試驗(yàn)研究，結(jié)論是以n（Mg）∶n（N）∶n（P）=1.3∶1∶1.08（物質(zhì)的量比）投加MgO和Na₂HPO₄，pH為9的氨氮去除率最高（可達(dá)到98%）^[8]?；瘜W(xué)沉淀法工藝簡(jiǎn)單，效率高，沉淀物可用作肥料，但投加藥劑量大，且農(nóng)作物對(duì)MAP的吸收，沉淀物中其他雜質(zhì)的含量及其是否對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有危害，還需要深入研究和廣泛試驗(yàn)。

1.2 強(qiáng)化生物處理

生物脫氮技術(shù)由于成本低，在實(shí)際廢水處理工程中應(yīng)用比較廣泛，但僅通過(guò)常規(guī)生物技術(shù)處理高濃度的氨氮廢水比較困難。這是因?yàn)椋⑸锏恼ＩL(zhǎng)必須增加回流比達(dá)到稀釋原廢水濃度的目的；另一方面，硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程需要大量氧氣和碳源，一般認(rèn)為COD/TN的最低值為9。對(duì)于焦化、石化、化肥以及垃圾滲濾液等高氨氮、低碳源廢水的生物脫氮處理，就要求必須增加較多外加碳源，增加曝氣、外加碳源和堿度使噸水處理成本增加。對(duì)于高濃度氨氮廢水，利用生物處理技術(shù)脫氮采取的工藝主要有ANAMMOX即厭氧氨氧化工藝、OLAND工藝、SHARON工藝^[9]、SND同時(shí)硝化反硝化^[10]。這些生物脫氮新工藝處理高濃度氨氮廢水的脫氮效率均較高，但工藝條件要求嚴(yán)格，特別是溶解氧的控制范圍窄，在實(shí)際工程中很難控制，只有SHARON工藝在實(shí)際工程中投入了運(yùn)行。

1.3 處理新技術(shù)

1.3.1 超聲技術(shù)。

有人提出超聲波凈化廢水以減少氨吹脫過(guò)程中的能耗。超聲波除氨是將壓縮空氣作為超聲波的吹脫動(dòng)力，使水分子由于承受交替壓縮和擴(kuò)張而產(chǎn)生空化氣泡，從而達(dá)到強(qiáng)化NH₃的揮發(fā)和傳質(zhì)效果^[11]。對(duì)高濃度氨氮（982 mg/L）廢水進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)氣液比為1 000∶1時(shí)，用普通空氣吹脫氨氮，效率為81.53%，而用超聲波吹脫氨氮，效率為98.72%，提高了約17%，COD去除率為24.90%。超聲技術(shù)的瓶頸在于超聲設(shè)備和水處理量的放大較困難，且能耗較高。

1.3.2 電化學(xué)法。

王鵬等用電化學(xué)法間接氧化法去除氨氮，通過(guò)6 h的氧化，含有氨氮（1 480 mg/L）的垃圾滲濾液中氨氮去除率可達(dá)100%^[12]。但該方法的缺點(diǎn)也比較突出，即耗電量大（以COD計(jì)為55 kW·h/kg），所以工程應(yīng)用前景不大。

1.3.3 微波技術(shù)。

微波水處理技術(shù)是把微波場(chǎng)引入水處理過(guò)程中，利用微波對(duì)單相流和多相流物化反應(yīng)的強(qiáng)烈催化作用，對(duì)極性和非極性化合物的選擇性供能的功能，達(dá)到破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)、殺滅微生物和細(xì)菌，是一種新型技術(shù)^[13]。林莉等利用微波直接輻射調(diào)節(jié)pH為11的含有高濃度氨氮的模擬廢水和焦化廢水3～5 min，同時(shí)輔以曝氣，能分別去除溶液和實(shí)際廢水91%和85%的氨氮^[14-15]。采用微波技術(shù)處理焦化廢水中含有的高濃度氨氮^[16]，證明了微波的作用機(jī)理是通過(guò)其熱效應(yīng)將氨氮揮發(fā)出去，所以過(guò)程中不但不會(huì)產(chǎn)生NO-₂和NO-₃等污染物，而且其脫氮效率均能達(dá)到90%以上。同時(shí)，相對(duì)于吹脫塔和曝氣吹脫，微波熱效應(yīng)脫氮處于相對(duì)封閉空間，脫出的氨可以回收綜合利用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)減輕和避免了大氣污染。Peng Li等將微波與顆?；钚蕴拷Y(jié)合以固定床的形式用于處理高濃度氨氮廢水，其連續(xù)系統(tǒng)中的氨氮去除率高達(dá)94%，活性炭在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用^[17]。

對(duì)于高濃度氨氮廢水的處理，微波技術(shù)正得到廣泛研究^[18-19]，特別是與各種高級(jí)氧化技術(shù)或氧化劑結(jié)合使用，取得了良好的效果。但是微波發(fā)生器及其腔體投資造價(jià)高，需要單獨(dú)的隔離措施，水處理量的有效工程放大等都是微波技術(shù)需要解決的問(wèn)題。

1.3.4 高級(jí)氧化。

氨氮的氮元素以-3價(jià)存在，具有還原性，在很強(qiáng)的氧化劑作用下能發(fā)生氧化反應(yīng)，高級(jí)氧化則是采用強(qiáng)氧化劑的工藝技術(shù)。丁湛等將負(fù)載二價(jià)鐵的顆?；钚蕴浚℅AC）做為催化劑，采用微波強(qiáng)化Fenton氧化的方法處理老齡垃圾滲瀝液，滲瀝液的pH被調(diào)到2～4，微波輻射時(shí)間30 min時(shí)，COD和氨氮的去除率最高，分別達(dá)到了95.64% 和88.63%^[20]。王杰等采用微波-活性炭-Fenton催化氧化預(yù)處理垃圾滲瀝液，在微波功率為300 W，pH為8，活性炭9 g/L，F(xiàn)e²⁺用量為0.02 mol/L，H₂O₂用量為7 ml/L，輻射時(shí)間6 min，垃圾滲瀝液中COD和氨氮去除率分別達(dá)到68.22%和78.08%，滲瀝液的BOD₅/COD由0.21提高到0.45^[21]。

高級(jí)氧化不僅對(duì)有機(jī)物有較好的去除效果，對(duì)氨氮的去除也具有明顯的作用。高級(jí)氧化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)廢水中氨氮與COD的同步降低，但有機(jī)污染物和氨氮對(duì)高級(jí)氧化過(guò)程產(chǎn)生的氧化劑的爭(zhēng)奪過(guò)程和優(yōu)勢(shì)順序會(huì)直接影響COD和氨氮去除率，而這部分領(lǐng)域的研究未見報(bào)道。

2 結(jié)論

高濃度氨氮廢水的現(xiàn)有處理技術(shù)主要有物化法（吹脫、萃取、化學(xué)沉淀等）和生物強(qiáng)化處理兩類，均有成熟的規(guī)范和工程應(yīng)用實(shí)例，但物化法和生物強(qiáng)化處理存在的能耗高、效率低和二次污染問(wèn)題限制著高濃度氨氮廢水的處理。高濃度氨氮廢水新技術(shù)中超聲技術(shù)和電化學(xué)法的能耗也較高，其現(xiàn)有研究方向在機(jī)理和過(guò)程，少有工程應(yīng)用；高級(jí)氧化去除氨氮的過(guò)程仍在研究的起步階段，過(guò)程和影響因素的研究未見報(bào)道；而微波技術(shù)由于具有節(jié)能和高效的特點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入了中試階段，是高濃度氨氮廢水處理的可行技術(shù)方案，但仍需解決微波設(shè)備與處理水量的放大問(wèn)題。

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