稀土浸礦氨氮廢水的吹脫試驗(yàn)研究

羅小燕，陳云嫩，熊昌獅，段武林，劉春花

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.尋烏南方稀土有限責(zé)任公司，江西尋烏342200）

稀土浸礦氨氮廢水的吹脫試驗(yàn)研究

羅小燕1，陳云嫩1，熊昌獅1，段武林2，劉春花1

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.尋烏南方稀土有限責(zé)任公司，江西尋烏342200）

針對(duì)稀土浸礦產(chǎn)生的高氨氮廢水，采用吹脫法對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，各主要因素對(duì)吹脫效果的影響大小為pH＞吹脫溫度＞氣液比；最佳操作條件：pH=11，溫度為40℃，氣液比為5 555.6∶1，吹脫時(shí)間為100 min。吹脫出的NH3用H2SO4吸收，形成（NH4）2SO4溶液，可作為浸取劑返回生產(chǎn)中使用或者用于生產(chǎn)（NH4）2SO4肥料，實(shí)現(xiàn)資源回收利用。該試驗(yàn)工藝可作為脫氮除磷二級(jí)生物處理或一級(jí)強(qiáng)化處理的預(yù)處理。

稀土浸礦；氨氮廢水；吹脫

我國(guó)稀土資源儲(chǔ)量位居世界第1位。由于南方離子吸附型稀土生產(chǎn)企業(yè)在稀土浸取工藝段采用硫酸銨浸取稀土〔1〕，產(chǎn)生了大量高濃度氨氮廢水，該廢水未加處理或稍加處理就直接排入環(huán)境中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致水質(zhì)惡化〔2〕，微生物數(shù)量增多，使給水消毒的氯使用量增加，最終導(dǎo)致水處理成本提高；同時(shí)產(chǎn)生的氯副產(chǎn)物增多，對(duì)人體健康的危害增大〔3〕。因此，對(duì)于高濃度的氨氮廢水進(jìn)行治理成為當(dāng)務(wù)之急。

目前，對(duì)于稀土氨氮廢水的治理技術(shù)主要分為2大類：生物法和物理化學(xué)法〔4〕。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于高濃度的氨氮廢水，主要采用濃縮蒸發(fā)結(jié)晶法進(jìn)行處理〔5〕，而對(duì)于低濃度的氨氮廢水還沒有切實(shí)可行的處理方法。

本研究采用空氣吹脫法處理稀土浸礦產(chǎn)生的高氨氮廢水，通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)對(duì)影響吹脫效果的主要因素進(jìn)行了研究，得到最佳操作條件。采用吹脫法處理稀土氨氮廢水，在去除廢水中氨氮的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)資源回收利用。

1　廢水水質(zhì)與試驗(yàn)方法

1.1試劑及儀器

試劑：濃硫酸、濃鹽酸、無(wú)水乙醇、無(wú)水碳酸鈉、輕質(zhì)氧化鎂、氫氧化鈉、硼酸、甲基紅、溴百里酚藍(lán)、亞甲藍(lán)、酒石酸鉀鈉、碘化鉀、碘化汞等，均為分析純。

儀器：pH6011A型pH計(jì)，蘇州科力華電子有限公司；WFJ7200分光光度計(jì)，尤尼柯儀器有限公司；J100B電子天平，日本AND公司；SHA-C水浴恒溫振蕩器，金壇市城東新瑞儀器廠；101A-3電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠。

1.2廢水水質(zhì)

本試驗(yàn)所用廢水取自贛州市某稀土冶煉廠，該廢水主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1　氨氮廢水主要水質(zhì)指標(biāo)

1.3試驗(yàn)方法

取300 mL廢水置于500 mL錐形瓶中，在一定的pH、氣液比（體積比，下同）、溫度下吹脫一定時(shí)間。取樣，測(cè)定吹脫后水樣中的氨氮濃度，計(jì)算氨氮去除率。NH3-N采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　吹脫試驗(yàn)裝置

2　結(jié)果與討論

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1pH對(duì)吹脫效果的影響

在溫度為30℃，氣液比為5 000∶1，吹脫時(shí)間為90 min的條件下，改變?nèi)芤簆H，考察pH對(duì)吹脫效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　pH對(duì)吹脫效果的影響

由圖2可知，當(dāng)pH在8～11之間時(shí)，隨著pH的升高，氨氮去除率升高迅速；當(dāng)pH＞11時(shí)，隨著pH的升高，氨氮去除率的變化趨于平緩。當(dāng)pH＜7時(shí)，氨氮主要以NH4+的形式存在，當(dāng)pH＞12時(shí)，氨氮主要以NH3的形式存在，因此隨著pH的增大，游離氨濃度升高，其在外力作用下更容易逸出。但pH越大，堿的消耗量越大，運(yùn)行成本越高。綜合考慮，選取最佳pH為11。

2.1.2曝氣速率對(duì)吹脫效果的影響

在pH為11，溫度為30℃，吹脫時(shí)間為90 min的條件下，調(diào)節(jié)曝氣速率分別為 8.3、10.0、12.5、16.7、25.0 L/min，此時(shí)氣液比分別為2 500∶1、3 000∶1、3 750∶1、5 000∶1、7 500∶1，考察氣液比對(duì)吹脫效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3　曝氣速率對(duì)吹脫效果的影響

由圖3可知，氨氮去除率隨著曝氣速率的增大而逐漸提高，當(dāng)曝氣速率增大到16.7 L/min后，隨著曝氣速率的增大，氨氮去除率升高的趨勢(shì)變緩。由化學(xué)工程傳質(zhì)理論可知，曝氣速率增大，氣相中氨氣分壓降低，傳質(zhì)推動(dòng)力增加，氣膜傳質(zhì)速率加快，從而提高了氨氮去除率。但當(dāng)曝氣速率增大到一定程度時(shí)，水的蒸發(fā)量亦變大，電消耗量也增加，同時(shí)吹出的氨氣濃度降低，不易回收且不經(jīng)濟(jì)。綜合考慮，選取最佳曝氣速率為16.7 L/min。

2.1.3吹脫時(shí)間對(duì)吹脫效果的影響

在pH為11，溫度為30℃，曝氣速率為16.7L/min的條件下，分別吹脫40、60、80、100、120、140 min，此時(shí)氣液比分別為 2 222.2∶1、3 333.3∶1、4 444.4∶1、5 555.6∶1、6 666.7∶1、7 777.8∶1，考察吹脫時(shí)間對(duì)吹脫效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，氨氮去除率隨著吹脫時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，當(dāng)吹脫時(shí)間達(dá)到100 min時(shí)，氨氮去除率最大，繼續(xù)延長(zhǎng)吹脫時(shí)間，氨氮去除率反而下降。在吹脫初期，廢水中的氨氮濃度高，反應(yīng)推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，因此隨著吹脫時(shí)間的延長(zhǎng)，氨氮去除率增加；隨著廢水中氨氮濃度的降低，當(dāng)吹脫時(shí)間達(dá)到100 min后，吹脫出的氨不足以補(bǔ)償因水份的大量蒸發(fā)而引起的水樣氨氮濃度的變化，表現(xiàn)為氨氮去除率下降。選取最佳吹脫時(shí)間為100 min。

圖4　吹脫時(shí)間對(duì)吹脫效果的影響

2.1.4溫度對(duì)吹脫效果的影響

在pH為11，氣液比為5 555.6∶1，吹脫時(shí)間為100 min的條件下，改變吹脫溫度，考察溫度對(duì)吹脫效果的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，氨氮去除率趨于直線上升。這是因?yàn)殡S著溫度的提高，氨氣在水中的溶解度會(huì)減小，此時(shí)在外力的作用下，氨氣易于從水中逸出，導(dǎo)致氨氮去除率增大。但溫度過(guò)高，需要消耗大量的電能，導(dǎo)致處理成本升高，溫度控制在30～40℃比較合適。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，吹脫法不適合在冬季操作。

2.2正交試驗(yàn)

研究表明，溫度、pH、氣液比3個(gè)因素對(duì)氨氮的吹脫效果影響比較大。對(duì)此在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以溫度、pH、氣液比為影響因素，進(jìn)行了3因素3水平正交試驗(yàn)，吹脫時(shí)間為100 min。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，各因素對(duì)吹脫效果的影響大小依次為pH＞溫度＞氣液比，各因素的最優(yōu)水平組合：溫度為50℃，pH為12，氣液比為6 111.1∶1。

結(jié)合單因素及正交試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮吹脫效果和實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性，確定最佳的操作條件：pH為11，溫度為40℃，氣液比為5 555.6∶1，吹脫時(shí)間為100 min。

2.3氨資源回收

氨氮廢水經(jīng)吹脫處理產(chǎn)生的NH3是一種良好的資源，用 H2SO4吸收吹脫出的 NH3可制得（NH4）2SO4，（NH4）2SO4可作為浸取劑返回生產(chǎn)中。

2.3.1硫酸吸收液濃度的確定

取3組300 mL初始氨氮質(zhì)量濃度為1 267 mg/L的水樣，在pH為11，氣液比為5 555.6∶1，溫度分別為 30、40℃，吹脫時(shí)間為 100 min的條件下進(jìn)行吹脫試驗(yàn)，并分別用100 mL 0.75、1.00、1.25 mol/L的H2SO4溶液吸收吹脫出的NH3，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　H2SO4吸收液濃度對(duì)NH3回收的影響

由表3可知，在相同H2SO4吸收液體積下，隨著H2SO4吸收液濃度的變化，吹脫后H2SO4吸收液中的氨氮也在變化。當(dāng)H2SO4吸收液濃度為1.00 mol/L時(shí)，吹脫后H2SO4吸收液中的氨氮質(zhì)量相對(duì)較大。因此，H2SO4吸收液的濃度定為1.00 mol/L。

2.3.2硫酸吸收液體積的確定

取3組300 mL初始氨氮質(zhì)量濃度為1 267 mg/L的水樣，在pH為11，氣液比為5 555.6∶1，溫度分別為30、40℃，吹脫時(shí)間為100 min的條件下進(jìn)行吹脫試驗(yàn)，分別用60、80、100 mL濃度為1.00 mol/L的H2SO4溶液吸收吹脫出的NH3，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　H SO吸收液體積對(duì)NH回收的影響

由表4可知，在相同的H2SO4吸收液濃度下，隨著H2SO4吸收液體積的變化，吹脫后H2SO4吸收液中的氨氮也在變化。在溫度為40℃條件下，當(dāng)H2SO4

吸收液濃度為1.00 mol/L、體積為60 mL時(shí)，吹脫后H2SO4吸收液中的氨氮質(zhì)量相對(duì)較大。綜合考慮，選擇H2SO4吸收液的體積為60 mL。

3　結(jié)論

采用吹脫法對(duì)稀土浸礦產(chǎn)生的高氨氮廢水進(jìn)行處理，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，各主要因素對(duì)吹脫效果的影響大小為pH＞吹脫溫度＞氣液比；最佳操作條件：pH= 11，溫度為40℃，氣液比為5 555.6∶1，吹脫時(shí)間為100 min，在最佳操作條件下，氨氮去除率達(dá)81%。吹脫出的NH3可以用60 mL 1.00 mol/L的H2SO4吸收液來(lái)吸收。吸收后形成的（NH4）2SO4溶液可作為浸取劑返回生產(chǎn)中使用或者用于生產(chǎn)（NH4）2SO4肥料，實(shí)現(xiàn)資源回收利用。參考文獻(xiàn)

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Experimental research on the air stripping method for the treatment of ammonia nitrogen wastewater in leaching rare earth

Luo Xiaoyan1，Chen Yunnen1，Xiong Changshi1，Duan Wulin2，Liu Chunhua1
（1.School of Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Xunwu South Rare Earth Co.，Ltd.，Xunwu 342200，China）

Aiming at the highly concentrated ammonia nitrogen wastewater produced in rare earth leaching，air stripping method has been used for its treatment.Through single-factor tests and orthogonal tests，the influential factors of it are studied.The results show that the order of influence degrees of the main factors on the air stripping effect is pH＞stripping temperature＞gas-liquid ratio.The optimum operation conditions are as follows：pH=11，temperature 40℃，gas-liquid ratio 5 555.6∶1，and stripping time 100 min.The NH3air stripped from the wastewater can be absorbed by sulfuric acid，forming（NH4）2SO4solution，which can be used as leaching solvent to be used in production again，or to be used for ammonium sulfate fertilizer production，realizing the recovery and recycling of resources. This experimental process can be used in the pretreatment of denitrification and dephosphorization second-class biological treatment or first-class enhanced treatment.

rare-earth leaching；ammonium nitrogen wastewater；air stripping

X703

A

1005-829X（2016）02-0033-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51164014）；江西省教育廳資助項(xiàng)目（GJJ14419）

羅小燕（1990—），碩士研究生。電話：15297763050，E-mail：1264702358@qq.com。通訊聯(lián)系人：陳云嫩，E-mail：cyn70yellow@gmail.com。

2015-11-06（修改稿）