酸性刻蝕液的高濃度氨氮廢水處理

吳衛(wèi)林，吳東亮，余 端，項艷，胡長江

（安徽浩悅環(huán)境科技有限責任公司，安徽合肥231145）

2014年《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》將半導體產(chǎn)業(yè)新技術(shù)研發(fā)提升至國家戰(zhàn)略高度，但在集成電路的生產(chǎn)中有酸性刻蝕液排出。酸性刻蝕液成份復雜，經(jīng)脫鹽處理后水中氨氮含量仍很高，無法直接進入生化系統(tǒng)中進行深度處理[1]。氨氮在水體中以游離氨或銨鹽的形式存在，容易氧化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽對生物體有劇毒作用[2]。所以，實現(xiàn)酸性刻蝕液的規(guī)范處置，關(guān)鍵之一就是有效處理高濃度氨氮廢水。

常見廢水中氨氮的處理方式有生物脫氮法、吹脫及汽提法、折點加氯法、離子交換法、化學沉淀法、催化濕式氧化法、電滲析法、液膜法、電化學法等[3]，但具體到集成電路產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的廢水，擬采用氨吹脫技術(shù)處理。本文研究了吹脫溫度、氣液比、pH值、水力停留時間等對廢水處理的影響，找出最優(yōu)參數(shù)，實現(xiàn)了高濃度氨氮廢水的有效處置。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

實驗材料：安徽某集成電路企業(yè)的酸性刻蝕液處置后產(chǎn)生的高氨氮廢水，廢水的理化性質(zhì)為TDS=70 000~80 000 mg/L；N-NH3=300~400 mg/L；pH=9~10。

實驗設備：PHS-3CpH計（上海精密科學儀器有限公司）；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）。

1.2 實驗裝置

氨氮吹脫實驗裝置示意圖見圖1。

取計量的酸性刻蝕液，加入片堿中和、過濾后產(chǎn)生高氨氮廢水（以下簡稱“廢水”）。取廢水放入燒杯中，開啟曝氣泵進行曝氣，曝氣后測試廢水中的氨氮含量。

2 結(jié)果與討論

圖1 氨氮吹脫實驗裝置示意圖

2.1 pH值對氨氮去除率的影響

取300 mL廢水置于1 L燒杯中，分別調(diào)節(jié)pH至9、10、11、12、13，開啟曝氣泵，控制氣量為 1.5 L/min，氣液比600∶1，吹脫2 h，測試處置后廢水中的氨氮含量。

表1 pH值對氨氮去除率的影響

從表1可以看出，隨著廢水pH升高，廢水中的氨氮去除率上升。pH超過11后，繼續(xù)升高雖能提升氨氮去除率，但提升效率降低。這是由于NH4++OH-=[NH3H2O][4]，所以，隨著pH升高，游離氨的數(shù)量增加。由于廢水中的氨氮值一定，pH升高到11后，提高pH，游離氨數(shù)量增加不再是同比例增長。結(jié)合氨氮吹脫運行的成本考慮，此廢水吹脫過程中的pH選擇12。

2.2 溫度對氨氮去除率的影響

在1 L燒杯中加入300 mL廢水（pH=12），按圖1連接裝置，分別加熱到 10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，開啟曝氣泵，調(diào)節(jié)氣體流量為2 L/min（氣液比1 400 m3/m3），通氣210 min，測試處置后廢水中的氨氮含量。

表2 溫度對氨氮去除率的影響

從表2可以看出，隨著溫度升高，廢水中的氨氮去除率提升，但在30℃后，氨氮去除率提升變緩。查詢氨氣在水中的溶解度發(fā)現(xiàn)，其隨著溫度上升而下降[5]，在氣相中氨氣分壓上升，這樣就有利于氨氮從水中被吹脫出來。但是從氨氮水中溶解度曲線可以看出，水溫超過30℃后，溶解度下降的幅度降低，這與實驗數(shù)據(jù)基本一致。

2.3 不同氣液比對氨氮去除率的影響

在1 L燒杯中加入300 mL廢水（pH=12），按圖1連接裝置，溫度34℃，氣液比分別為140∶1，280∶1，600∶1，960∶1，1 200∶1，通氣 210 min，測試處置后廢水中的氨氮含量。

從表3可以看出，隨著氣液比增加，廢水中氨氮吹脫效率上升。氣液比960∶1時，氨氮吹脫率94.7%。根據(jù)亨利定律，在相同條件下，氣相中氨氣分壓是相同的，提升廢水吹脫時的氣液比即是提升通過水中的氣體量，這種氣體中氨氣分壓相同，這樣氣液比越高，吹脫效率越高。但是根據(jù)亨利定律，隨著氣液比增加到一定比例，廢水中氨氣吹脫效率增長變小。

表3 不同氣液比對氨氮去除率的影響

2.4 不同停留時間對氨氮去除率的影響

在1 L燒杯中加入300 mL廢水（pH=12），按圖1連接裝置，溫度34℃，曝氣氣體流量為1.8 L/min，水力停留時間分別為 60 min、120 min、180 min、240min、300 min，測試處置后廢水中的氨氮含量。

表4 不同停留時間對氨氮去除率的影響

通過吹脫法去除廢水中的氨氮，氨氮在氣相和液相中的平衡十分重要。氨氮分子在氣相和液相中平衡需要一定時間，孫華等[6]根據(jù)亨利定律推導出吹脫效率和吹脫時間的關(guān)系，得出結(jié)論：水力停留時間越長，效率越高。表4表明，該廢水一定條件下水力停留時間達到120 min以上，即可得到較好的氨氮去除率。

2.5 優(yōu)化條件下氨氮的去除率

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合處理成本，擬以pH=12，溫度30℃，氣液比960∶1，水力停留時間120 min條件下進行廢水氨氮吹脫實驗，結(jié)果見表5。

在此條件下氨氮被去除，經(jīng)脫鹽處理后再生化處理，最終達標排放，實現(xiàn)了酸性刻蝕液廢液的最終處置。

表5 優(yōu)化條件下氨氮的去除率

3 結(jié)論

本研究得出某集成電路企業(yè)產(chǎn)生的高濃度氨氮廢水的吹脫最佳條件，廢水中氨氮含量降至21.20 mg/L，氨氮去除率達到94.6%，為后續(xù)處理提供了便利條件。