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氨氮(dàn)廢水處理

含(hán)氮化合物已成(chéng)為環境的主要汙染源,廢水中氨(ān)氮的去除率是(shì)考察水處理(lǐ)效果(guǒ)的主要指標之一。 

1 氨氮廢水(shuǐ)的(de)來源(yuán)
含氮物質(zhì)進入水環境的途徑主要包(bāo)括自然過程和人類活(huó)動兩個方麵(miàn)。

自然來源和過程主要包(bāo)括降(jiàng)水降塵、非市區徑流(liú)和生物固氮等。

人類(lèi)的活動(dòng)主要包括未處理(lǐ)或處理過的城市(shì)生(shēng)活和工業廢水、各(gè)種浸濾液和地(dì)表徑流等。人工合成的(de)化學肥料是水體中氮營養(yǎng)元素的主要來源,大量未被農作物利用的氮(dàn)化合物絕大部分被農田(tián)排水和地表徑流(liú)帶入地下水和(hé)地表水中。

氮在廢水中以有機態氮(dàn)、氨態氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)以及亞硝態氮(NO2--N)等多種形式存在,而氨態氮是最主要的存在形(xíng)式之一。廢水(shuǐ)中的氨氮是指以(yǐ)遊(yóu)離氨(ān)和離子銨形式存在的氮,主(zhǔ)要來源於生活汙水中含氮有機物的(de)分解,焦化、合成氨等工業廢水,以及農田(tián)排(pái)水(shuǐ)等。氨氮(dàn)汙染源多,排放量大,並且排放(fàng)的濃度變(biàn)化大。

2 氨(ān)氮廢水的危(wēi)害
水環境中存在過量的氨氮會造成多方麵(miàn)的有(yǒu)害影響:
(1)由於NH4+-N的氧化,會造成水體中溶解(jiě)氧濃度降低,導致(zhì)水(shuǐ)體發黑發臭,水質下降,對水生動(dòng)植物的生存造成影響。在有利的環境條件下,廢(fèi)水中所含的有機氮將會轉化成NH4+-N,NH4+-N是還原力最強的(de)無機氮形態,會進一步轉化(huà)成NO2--N和NO3
--N。根(gēn)據生(shēng)化反應計量關係,1gNH4+-N氧化成NO2--N消(xiāo)耗氧氣3.43 g,氧(yǎng)化(huà)成NO3--N耗(hào)氧4.57g。
(2)水中氮素含量太多會導致水體富營養化,進而(ér)造成一係列(liè)的嚴重後果(guǒ)。由於氮的存在,致使光合微生物(大多數為(wéi)藻類)的數量增加,即水體發生富營養化現象,結果造成:堵塞濾池,造成濾池運轉周期縮短,從而增加(jiā)了水處理的費用;妨礙(ài)水上運動;藻類代謝的最終產物可產生引起有色度和味道的化合物;由於(yú)藍-綠(lǜ)藻類(lèi)產生的毒素,家畜損傷,魚類死亡(wáng);由於藻類的(de)腐爛(làn),使水體中出現(xiàn)氧虧現象。
(3)水中的NO2--N和NO3--N對(duì)人和水生生物有較大(dà)的危害作用。長期飲(yǐn)用NO3--N含量超(chāo)過10mg/L的水,會發生高鐵血(xuè)紅蛋白症,當血液中(zhōng)高鐵血紅蛋白含量達到70mg/L,即發生(shēng)窒息。水中的NO2--N和胺作用會生成亞(yà)硝胺,而亞硝胺(àn)是“三致”物(wù)質。NH4+-N和氯反應會生成(chéng)氯胺,氯胺的消毒作用(yòng)比自由(yóu)氯小,因此當有NH4+-N存在時,水處理(lǐ)廠(chǎng)將需要更大的加(jiā)氯量,從而增加處理成本。 

3 氨(ān)氮廢(fèi)水處理的主要技術
目前,國內外氨氮廢水處理有折點(diǎn)氯(lǜ)化法(fǎ)、化學(xué)沉澱法、離子交(jiāo)換(huàn)法、吹(chuī)脫法和生物脫氨法等多種(zhǒng)方法,這些(xiē)技術可分為物理(lǐ)化學法和生物脫氮技術兩大類。
 

3.1 生物脫氮法
微生物去(qù)除氨氮過程需經兩個階段。第一階段為硝化過(guò)程,亞硝化菌(jun1)和硝化菌在有氧條件下將氨態氮轉化為亞硝態氮(dàn)和(hé)硝態氮的過程。第(dì)二階段為(wéi)反硝化過程,汙水中的(de)硝態氮和亞硝態氮在無氧或(huò)低氧條件下,被反(fǎn)硝化菌(異養、自養微生物均有發現且種類很多)還原轉化為氮氣(qì)。在此過(guò)程中,有機物(甲(jiǎ)醇、乙酸、葡萄糖等)作為電子供體被氧化而提(tí)供能(néng)量。常見的生物脫氮流程可以分為3類,分別是多級汙泥係統(tǒng)、單級汙泥係統和生物膜係(xì)統(tǒng)。

3.1.1 多級汙泥係統
此(cǐ)流(liú)程可以得(dé)到相當好的BOD5去除效果和(hé)脫氮效果(guǒ),其缺點是流程長、構築物多、基(jī)建費用高(gāo)、需要外加碳源、運行費用高、出水中殘留一定量甲(jiǎ)醇等。

3.1.2 單級汙泥係統
單級(jí)汙泥係統的形(xíng)式包括前(qián)置反硝化係統、後置(zhì)反硝化係統及交替工作係統。前(qián)置反(fǎn)硝化的生物脫氮流程,通常稱為A/O流程與傳統的生物(wù)脫氮工藝流(liú)程相比,A/O工藝具有流程簡單、構築物少、基建費用低、不需外加碳源、出水水(shuǐ)質高等優點。後置式反硝化係統,因(yīn)為混合液缺乏有機物,一般還需要人工投加碳源(yuán),但(dàn)脫氮的(de)效果可高於前置式,理論上可接近100%的脫氮。交替(tì)工作的生物脫氮流程主要由兩(liǎng)個串聯池(chí)子組成,通過改換(huàn)進水(shuǐ)和出水的方向(xiàng),兩個池子交替在缺(quē)氧和好氧的條件下運行。該係統本(běn)質上仍是A/O係統,但其利用交替工作的方式,避免了混合液的回流(liú),因而(ér)脫氮效果優於一般A/O流程。其缺點是運行管理費用較高,且一般必須配(pèi)置計算機控製自動操作係(xì)統。

3.1.3 生物膜係統
將(jiāng)上述A/O係統中的缺氧池和好氧池改為固定生物膜反(fǎn)應器(qì),即形成生物(wù)膜脫氮係統。此係統中應有混合液回流,但不需汙泥回流,在缺氧的好氧反應器中保存了適應於(yú)反硝化(huà)和好氧氧化及硝化反應的兩個汙泥係統。
 

3.2 物(wù)化除氮
物化除氮常用的物理化學方法有折點氯化法、化學(xué)沉澱(diàn)法、離子交換法、吹(chuī)脫(tuō)法、液膜法、電滲析法和催化濕式氧化法等。

3.2.1 折點氯化法
不連續點氯化法(fǎ)是氧化法(fǎ)處理氨氮廢(fèi)水的(de)一種(zhǒng),利用(yòng)在(zài)水中的氨與氯反應生成氮氣而將水中氨去除的化(huà)學處理法。該方法還可以起到殺菌作用,同(tóng)時使一部分有機物無機化,但經氯化處(chù)理後的出水中留有餘氯,還應進一步脫(tuō)氯(lǜ)處理。
 

在含有氨的水(shuǐ)中(zhōng)投加次氯酸HClO,當pH值在中性附近(jìn)時,隨次氯酸的(de)投加,逐步進(jìn)行下述主要反應:
NH3 + HClO →NH2Cl + H2O ①
NH2Cl + HClO → NHCl2 + H2O ②
NH2Cl + NHCl2 →N2 + 3H+ + 3Cl- ③
投加氯量和(hé)氨氮之比(簡稱Cl/N)在5.07以下時,首(shǒu)先進行①式反應,生成一氯胺(NH2Cl),水中餘氯濃度增大(dà),其後(hòu),隨著次氯(lǜ)酸投加(jiā)量的增加,一氯胺按②式進行反應,生成二氯胺(NHCl2),同時進行③式(shì)反應,水(shuǐ)中的N呈N2被去除。其結果是,水中的餘(yú)氯(lǜ)濃度隨Cl/N的(de)增(zēng)大而減小,當Cl/N比值達到(dào)某個數值以上時,因未反應而殘留的次氯(lǜ)酸(即遊離(lí)餘氯)增多,水中殘留餘氯的濃度再次增大,這個最小值(zhí)的點稱為不連續點(習慣稱為折點)。此時的Cl/N比按理論計算為7.6;廢水處理中因(yīn)為氯與廢水中的有機物反應,C1/N比應比理論值7.6高些,通常為10。此(cǐ)外,當pH不在中性範圍時,酸性條件下多生成三氯胺,在堿性條件下生成(chéng)硝酸,脫(tuō)氮效率降低。
 

在pH值為6~7、每mg氨氮氯投加量為10mg、接觸0.5~2.0h的情況下,氨氮的(de)去除率為90%~100%。因此此法對低(dī)濃度氨氮廢水適用。
 

處理時所需的實際氯氣量取(qǔ)決於溫度、pH及氨氮濃度(dù)。氧(yǎng)化每mg氨氮有(yǒu)時需(xū)要9~10mg氯氣折點,氯化法處理後(hòu)的出水在排放前一(yī)般需用活性炭或SO2進(jìn)行反氯化(huà),以除去水中殘餘的氯。雖然氯(lǜ)化法反應迅速,所需設(shè)備投(tóu)資少,但液(yè)氯的安全使(shǐ)用和貯存要求高,且處理成本也(yě)較(jiào)高。若用次氯(lǜ)酸或二(èr)氧化氯發生裝置代替液氯,會更安全且運(yùn)行費用可以降低,目前國(guó)內的氯發生裝置的產氯量太(tài)小,且價格昂貴(guì)。因此氯化法一般適用於給水的處理,不太適合處理大水(shuǐ)量(liàng)高濃度的氨氮廢水。
 

3.2.2 化學沉(chén)澱法
化學沉澱(diàn)法是往水(shuǐ)中投加某種化學藥劑,與水中的溶解性物質發生(shēng)反應,生成難溶於水的鹽類,形成沉渣易去除,從而降低水中溶解性物質的含(hán)量。當在含有NH4+的廢水中加入PO43-和Mg2+離子時,會發生如下反應:
NH4+ + PO43- + Mg2+ → MgNH4PO4↓ ④生成難溶於水的MgNH4PO4沉澱物,從(cóng)而達到去除水中氨氮的目的(de)。采用的常見沉澱(diàn)劑是(shì)Mg(OH)2和H3PO4,適宜(yí)的pH值範圍為9.0~11,投加質量比H3PO4/Mg(OH)2為1.5~3.5。廢水中氨氮(dàn)濃度小於900mg/L時,去除率在90%以上,沉(chén)澱物是(shì)一(yī)種很好的複合(hé)肥料。由於Mg(OH)2和(hé)H3PO4的價格比較貴,成(chéng)本較(jiào)高,處理高(gāo)濃度氨氮廢水可行,但該法向廢水(shuǐ)中(zhōng)加入了(le)PO43-,易(yì)造(zào)成二次汙染。
 

3.2.3 離子交換法
離子交換法的(de)實(shí)質是不溶性離子化合物(離子交換劑)上的可交換離子與廢水中的其(qí)它(tā)同(tóng)性離(lí)子的交換反應,是一種特殊的吸附(fù)過程,通常是可逆性化學吸附(fù)。沸石是(shì)一種天(tiān)然離(lí)子交換物質,其價格遠低於陽離子交(jiāo)換樹脂,且對NH4+-N具有選擇性的吸附能
力,具有較高的陽離子交換(huàn)容量,純絲光沸石(shí)和斜發沸石的(de)陽離子交換容量平(píng)均為每10 0g相當於(yú)213和223mg物質的量(m.e)。但實際天然沸石中含有不純(chún)物(wù)質,所以純度較高的(de)沸石交換容量每10 0g不大於20 0m.e,一般為10 0~150m.e。沸(fèi)石作為離子交換劑,具有特殊的離子交換特性,對離子的選擇交換順序是:Cs(Ⅰ)>Rb(Ⅰ)>K(Ⅰ)>NH4+>Sr(Ⅰ)>Na(Ⅰ)>Ca(Ⅱ)>Fe(Ⅲ)>Al(Ⅲ)>Mg(Ⅱ)>Li(Ⅰ)。工程設計(jì)應用中,廢水pH值應調整到6~9,重金屬大體上沒有什麽
影響;堿(jiǎn)金屬、堿土金屬中除Mg以外(wài)都有影響(xiǎng),尤其是Ca對沸石的離子交換能力影響比Na和K更大(dà)。沸石吸附飽和後必須進(jìn)行再生,以采用(yòng)再生液法為主,燃燒法很少用。再(zài)生液多采用NaOH和NaCl。由於廢水(shuǐ)中(zhōng)含有Ca2+,致使沸石對氨的去除率呈不可逆性的降低,要考慮補(bǔ)充和更新。
 

3.2.4 吹脫(tuō)法(fǎ)
吹脫法是將廢水調節(jiē)至堿(jiǎn)性,然後在(zài)汽提塔(tǎ)中通入空氣或蒸汽,通過氣液接觸將廢(fèi)水中的遊離氨吹脫至大氣中。通入蒸汽,可升高廢水溫度,從而提高一定pH值時被吹脫的氨的比率(lǜ)。用該法處理氨時,需考慮排放(fàng)的遊離氨總量應符合氨的大氣排(pái)放標(biāo)準,以免造(zào)成二次汙染。低濃度廢水通常在常溫下(xià)用空氣吹脫,而煉鋼、石油化工、化肥(féi)、有機化工有色金屬(shǔ)冶煉(liàn)等行業的高濃度廢水則常(cháng)用蒸汽進行吹脫。
 

3.2.5 液膜法
自從1986年黎念之發現乳(rǔ)狀液膜以來,液膜法得到了廣泛的研究。許多人認(rèn)為液膜分離(lí)法有可能成為繼萃取法之後的(de)第(dì)二(èr)代分離純化技術,尤(yóu)其適用於低濃度金屬離子提純及廢水處理等過程。乳狀液膜法去除氨氮的機理是(shì):氨態氮NH3-N易溶於膜相油相,它從膜相外高濃(nóng)度的外側,通過膜相的擴散遷移,到達(dá)膜相內側與內相(xiàng)界麵,與膜內相(xiàng)中的酸發生解脫反應(yīng),生成的NH4+不溶於油相而穩定在膜內相中,在膜內外兩(liǎng)側氨濃(nóng)度差的推動下(xià),氨分子不斷通過膜表麵吸附、滲透擴散遷移至膜相內側解吸,從而達到分離(lí)去除氨氮的目的。
 

3.2.6 電滲析法
電滲析是一種膜法(fǎ)分離技術,其利用施加在陰陽膜(mó)對之間(jiān)的電壓去除水溶液中溶解的固(gù)體。在電滲析室(shì)的陰陽滲透膜之間(jiān)施加直流電壓,當進水通過多對陰陽離子滲透膜時,銨離(lí)子及其他離子(zǐ)在施加(jiā)電壓的(de)影響下,通過膜而進入另(lìng)一側的濃水中並在濃水中集,因而從進水中分離出來。
 

3.2.7 催化濕式氧化法
催化濕式氧(yǎng)化法是(shì)20世紀80年代國際上發展起來(lái)的一種治理廢水的新技術。在一(yī)定溫度、壓力(lì)和催化劑作用下,經空氣氧化,可使汙水中(zhōng)的有機物和氨分別(bié)氧化分解成CO2、N2和H2O等無害物質,達到淨化的目的。該法具有淨化效(xiào)率(lǜ)高(廢水經(jīng)淨化後可達到飲用水標準)、流程簡單、占地麵積少等特點。經多年應用與實踐,這一廢(fèi)水處理方法的建設及運行費用僅為常規方法的60%左右,因而在技(jì)術上和經濟上均具有較強的競爭力。
 

4 結論

氨(ān)氮廢水降解的各種技術與工藝過程,都有各(gè)自的優點與缺點。由於廢水所含汙染物(wù)的種類和數量不同,還沒有一種通用的方法能處理所有的氨(ān)氮廢水。因(yīn)此,必須(xū)針對廢水所含的成分(fèn)進行深入係統地研究,選擇和確定處(chù)理技術及(jí)工藝。

目前,生物脫氮法(fǎ)主要用(yòng)於含有機物的低(dī)氨(ān)氮濃度(dù)化(huà)工廢水和生活汙水的(de)處理,該法技術(shù)可靠(kào),處理效(xiào)果好。對於高濃度氨氮廢水主要采用吹脫法,近年來興起的膜法分離技術及催化濕式(shì)氧化等方法具有很好的應(yīng)用前景。


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