解氨劑-超重力法處理高濃度氨氮廢水中試研究

魯秀國，羅　軍，2，賴祖明

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013；2.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330099；3.江西耐可化工設(shè)備填料有限公司，江西萍鄉(xiāng)337005）

解氨劑-超重力法處理高濃度氨氮廢水中試研究

魯秀國1，羅軍1，2，賴祖明3

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013；2.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330099；3.江西耐可化工設(shè)備填料有限公司，江西萍鄉(xiāng)337005）

介紹了超重力技術(shù)的基本原理，采用解氨劑協(xié)同超重力法處理高濃度氨氮廢水并進(jìn)行中試研究，重點(diǎn)考察了超重力因子、多級處理次數(shù)、進(jìn)水氨氮初始濃度、解氨劑投加量等因素對脫氮效率的影響，得出在pH為11、溫度40℃、氣液比1 200、超重力因子460、解氨劑投加量為70 mg/L的實(shí)驗(yàn)條件下，單級處理脫氮率達(dá)到90.6%。相較于傳統(tǒng)吹脫法，解氨劑-超重力法具有脫氮效率高、運(yùn)行成本低、操作簡單的特點(diǎn)，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

超重力技術(shù)；復(fù)合解氨劑；氨氮廢水

按有關(guān)濃度劃分原則，NH3-N質(zhì)量濃度在500 mg/L以上〔1〕的生活污水和工業(yè)廢水屬于高濃度氨氮廢水，其來源廣、排放量大、處理成本高，成為較難處理的一種廢水。目前高濃度氨氮廢水的處理主要采用物化法和新型生物脫氮法。其中，物化法通常用于高濃度氨氮廢水的預(yù)處理，主要包括吹脫法、化學(xué)沉淀法、濕式催化氧化法等。新型生物法則包括好氧反硝化、厭氧氨氧化、短程硝化反硝化、同時硝化反硝化等〔2-4〕。吹脫法由于工藝簡單、操作簡便、處理效果穩(wěn)定而成為應(yīng)用最廣且成熟、有效的技術(shù)〔5〕?；诖得摲ㄔ淼某亓夹g(shù)作為一種新型的強(qiáng)化傳質(zhì)過程的技術(shù)〔6〕，已廣泛用于多個領(lǐng)域〔7〕。采用超重力技術(shù)處理高濃度氨氮廢水的實(shí)驗(yàn)研究不多，重點(diǎn)考察pH、溫度、氣液比等參數(shù)。筆者在前人基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究廢水初始濃度、多級處理次數(shù)、超重力因子等參數(shù)對脫氮效率的影響，探索最佳的工藝條件，以期為工程應(yīng)用和示范工程的推廣提供參考數(shù)據(jù)。此外，實(shí)驗(yàn)引入了一種解氨劑能進(jìn)一步提高脫氮率，證明了解氨劑協(xié)同超重力法處理高濃度氨氮廢水具有高效、操作簡單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。

1　超重力技術(shù)的工作原理

超重力的工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使物質(zhì)受到比重力大得多的力。在超重力環(huán)境下，不同大小分子間的分子擴(kuò)散和相間傳質(zhì)過程均比常規(guī)重力場下的要快得多，巨大的剪切力使氣液相產(chǎn)生巨大和快速更新的相界面，使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)的塔器中提高1～3個數(shù)量級，微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大的強(qiáng)化。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)廢水來自南康市匯豐礦業(yè)有限公司生產(chǎn)鎢酸銨過程產(chǎn)生的廢水，氨氮質(zhì)量濃度在10 000 mg/L左右，實(shí)際質(zhì)量濃度以實(shí)測值為準(zhǔn)。

2.2主要儀器與藥劑

實(shí)驗(yàn)所用儀器與藥劑如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)儀器與藥劑

解氨劑由江西耐可化工設(shè)備填料有限公司提供。該解氨劑以羧甲基纖維素鈉鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚為主要成分，并加入一定氟、磷等元素復(fù)配而成，含有大量O、H、—OH、—NH2、亞甲基和親水、憎水活性基團(tuán)，能顯著降低水的表面張力，破壞水分子與NH3分子間的結(jié)合力，促使NH3分子從水中脫離。同時氟的加入使該解氨劑表現(xiàn)出很高的耐熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，增強(qiáng)了對環(huán)境的適應(yīng)能力。

2.3實(shí)驗(yàn)裝置與工藝流程

實(shí)驗(yàn)使用1臺超重機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外部圓形的殼體和內(nèi)部轉(zhuǎn)子構(gòu)成。轉(zhuǎn)子由不銹鋼鋼絲填料組成，并通過轉(zhuǎn)軸與調(diào)頻電機(jī)相連，填料層高度為400 mm，轉(zhuǎn)子外徑800 mm，內(nèi)徑600 mm。廢水的氨氮經(jīng)稀釋后由氨氮測定儀測定。

圖1　超重機(jī)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)流程

外界進(jìn)水首先進(jìn)入均質(zhì)桶調(diào)節(jié)pH、溫度并投加解氨劑，在泵的輸送下經(jīng)液體流量計(jì)計(jì)量后通過進(jìn)水口進(jìn)入超重機(jī)。之后由進(jìn)水管引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，在噴頭的作用下均勻噴灑到填料內(nèi)側(cè)。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使液體被多孔的填料層分散、破碎成尺寸更小的液滴、液絲和液膜，形成巨大而又快速更新的相界面。同時，來自鼓風(fēng)機(jī)的空氣經(jīng)氣體流量計(jì)計(jì)量后由進(jìn)氣管沿切向進(jìn)入填料層，實(shí)現(xiàn)氣液逆流接觸，完成反應(yīng)和傳質(zhì)過程。反應(yīng)后廢水中的氨被吹脫出來，經(jīng)出氣口排入吸收液桶，液體則經(jīng)超重機(jī)外殼收集后排到儲水桶，進(jìn)入下一工序的處理。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1超重力因子對脫氮效果的影響

結(jié)合前人的研究結(jié)果〔8〕，控制實(shí)驗(yàn)主要操作條件為pH=11、溫度40℃、氣液比1 200，對廢水進(jìn)行單級處理（廢水的氨氮為10 990 mg/L），考察超重力因子對脫氮率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　超重力因子對脫氮效率的影響

由圖3可以看出，隨著超重力因子的增大，氨氮去除率也隨之增大。超重力因子（β）是用來衡量超重力場強(qiáng)弱的一個無因次量，即旋轉(zhuǎn)填料層平均離心加速度與常重力加速度之比，其積分化簡式見式（1）〔9〕。

式中：r1——內(nèi)半徑，mm；

r2——外半徑，mm；

w——角速度，rad/s；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

增大超重力因子會產(chǎn)生巨大的剪切力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過分子間的表面張力，使液體的湍流程度加劇，液膜表面的流速增大，游離氨的擴(kuò)散速率增加，從液相內(nèi)層到達(dá)表面的時間縮短。此外，巨大的剪切力使液膜變薄、表面更新時間縮短、有效比表面積增加，造成氣液相間的接觸面積增大，從而極大地強(qiáng)化了氣液相間的反應(yīng)和傳質(zhì)過程，因此，氨氮去除率相應(yīng)增加。但從圖3可以發(fā)現(xiàn)脫氮率曲線隨著超重力因子的增加逐漸趨于平緩，過大的超重力因子導(dǎo)致能耗增加和液體停留時間縮短，不符合處理成本經(jīng)濟(jì)的原則。所以實(shí)驗(yàn)的超重力因子選取460比較合適。

3.2多級處理對脫氮效率的影響

在pH=11、溫度40℃、氣液比1 200、超重力因子460的實(shí)驗(yàn)條件下，對廢水進(jìn)行多級處理（廢水中的氨氮為9 850 mg/L），考察處理次數(shù)對脫氮率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：增加處理次數(shù)有助于提高氨氮去除率。廢水經(jīng)過5級處理后，氨氮質(zhì)量濃度由9 850 mg/L降至177 mg/L，去除率達(dá)到98.2%。繼續(xù)增加處理次數(shù)，氨氮去除率變化不大，這主要是由于氣-液相平衡的限制〔9〕。處理次數(shù)的選擇應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、處理目標(biāo)、工藝流程等因素，如二級處理后氨氮降到1 000 mg/L左右，此時可以采用生化法等進(jìn)行深度處理，以達(dá)到排放目標(biāo)。

3.3氨氮初始質(zhì)量濃度對脫氮效率的影響

在pH=11、溫度40℃、氣液比1 200的實(shí)驗(yàn)條件下，控制進(jìn)水氨氮，考察廢水氨氮初始質(zhì)量濃度對脫氮效率的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度對脫氮效率的影響并不大，尤其是當(dāng)超重力因子在750時基本沒有影響。超重力因子為460、氨氮在500～10 000 mg/L時，脫氮率的差值在1%～6%。因此采用超重力法處理氨氮廢水，初始質(zhì)量濃度對脫氮率的影響有限，超重力法適用的氨氮濃度范圍大。

圖4　進(jìn)水氨氮對脫氮效率的影響

3.4解氨劑投加量對脫氮效率的影響

解氨劑在超重力法處理氨氮廢水過程中具有協(xié)同作用，能進(jìn)一步提高氨氮去除率。實(shí)驗(yàn)加入不同質(zhì)量的解氨劑，在相同質(zhì)量濃度氨氮廢水的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，分別測定脫氮率，實(shí)驗(yàn)條件為：pH=11、溫度40℃、氣液比1 200、超重力因子460、廢水氨氮濃度為9 880 mg/L，結(jié)果見圖5。

圖5　解氨劑投加量對脫氮效率的影響

由圖5可知，解氨劑的投加量從0增加到70 mg/L時，脫氮率隨著投加量的增加而提高，并在70 mg/L時達(dá)到最高，脫氮率為90.6%。由此證明解氨劑協(xié)同超重力法處理高濃度氨氮廢水能提高脫氮率。這是因?yàn)榻獍眲┠芨淖円后w的界面性能，促進(jìn)液體表面更新，增加氣液接觸面積，提高傳質(zhì)速率。進(jìn)一步增加解氨劑的投加量，氨氮去除率沒有升高，反而有所下降。這主要是因?yàn)榻獍眲┑耐都恿窟^高時會達(dá)到膠束濃度〔10〕，在液面形成一層很厚的泡沫層，過多的泡沫會增大液膜阻力，從而阻礙氣液傳質(zhì)過程，進(jìn)而使氨氮去除率下降。因此，實(shí)驗(yàn)選擇解氨劑投加量在70 mg/L為最佳投加量。

4　結(jié)論

（1）采用有機(jī)復(fù)配解氨劑與超重力法結(jié)合處理高濃度氨氮廢水是切實(shí)可行的，具有脫氮效率高、經(jīng)濟(jì)成本低、便于操作等特點(diǎn)。

（2）在pH=11、溫度40℃、氣液比1 200、超重力因子460、解氨劑投加量70 mg/L的實(shí)驗(yàn)條件下，解氨劑協(xié)同超重力法可將氨氮質(zhì)量濃度為9 880 mg/L的廢水降到928 mg/L，脫氮率達(dá)到90.6%，為后續(xù)的深度處理提供了條件。

（3）單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增大超重力因子和提高多級處理次數(shù)能提高氨氮的去除率，廢水氨氮初始濃度對脫氮率的影響不大。

（4）解氨劑協(xié)同超重力法為高濃度氨氮廢水的處理提供了一種新途徑，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

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［作者簡介］張煥杰（1991—），碩士研究生。電話：15021150273，E-mail：963484028@qq.com。通訊作者：林燕，博士，副教授。E-mail：linyan2002@sjtu.edu.cn。

［收稿日期］2016-07-07（修改稿）

Pilot study on the treatment of high-concentration ammonia nitrogen wastewater by denitrification agent-super gravity technology

Lu Xiuguo1，Luo Jun1，2，Lai Zuming3
（1.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Jiangxi Modern Polytechnic College，Nanchang 330099，China；3.Jiangxi Naike Chemical Engineering and Packing Co.，Pingxiang 337005，China）

The basic principle of super gravity method and pilot research on using denitrification agent cooperated with super gravity method for treating ammonia nitrogen wastewater having high concentration are introduced.The influences of the factors，such as super gravity factor，multilevel processing times，initial concentration of influent anmmonia nitrogen，dosage of denitrification agent，etc.are investigated emphatically.The experimental conditions are obtained as follows：pH is 11，temperature 40℃，gas liquid ratio 1 200，super gravity factor 460，and denitrification agent dosage 70 mg/L.Under these conditions，the single-level processing denitrification rate reaches 90.6%. Compared with traditional stripping method，it is characterized by high denitrification efficiency，low operation cost，and simple operation，having a broad application prospect of industrialization.

super gravity technology；compound denitrification agent；ammonia nitrogen wastewater

X703

A

1005-829X（2016）08-0024-04

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014BAC04B03）

魯秀國（1964—），教授，博士。E-mail：149862562@qq. com。通訊作者：羅軍，碩士研究生，E-mail：1156073121@ qq.com。

2016-07-06（修改稿）