超重力技術(shù)處理高濃度氨氮廢水的中試研究

羅 軍，賴(lài)祖明，張 歡

（1.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，南昌 330013；2.江西耐可化工設(shè)備填料有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337005；3.南昌市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，南昌 330013）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷加快和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題需要亟待改善和解決。其中，高濃度氨氮廢水由于來(lái)源廣、成分復(fù)雜、處理成本大等不利因素成為水體污染和生態(tài)環(huán)境破壞的重要原因。多年來(lái)，科學(xué)工作者們緊緊圍繞高效、節(jié)能、資源化等方面對(duì)高濃度氨氮廢水的處理進(jìn)行了深入的研究與探索。目前，傳統(tǒng)的高濃度氨氮廢水的處理主要還是采用以空氣為氣提劑的吹脫法，該法具有操作簡(jiǎn)單、易于控制，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。但氨氮廢水的吹脫一般采用塔設(shè)備作為吹脫設(shè)備，存在體積龐大、效率低、吹脫所需動(dòng)力消耗大等缺點(diǎn)[2]。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)科研人員開(kāi)始對(duì)超重力技術(shù)進(jìn)行研究，并形成了豐富的理論成果和良好的工程應(yīng)用。超重力技術(shù)作為一種新型的強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程的技術(shù)[3]，已廣泛運(yùn)用于多個(gè)領(lǐng)域。采用超重力設(shè)備——超重機(jī)替代傳統(tǒng)的吹脫塔，不論是從理論角度還是從工程應(yīng)用角度來(lái)講都具有重大意義。焦緯洲等[4]運(yùn)用超重力技術(shù)處理焦化氨氮廢水，單級(jí)脫氮率比傳統(tǒng)塔設(shè)備吹脫法高35%。筆者在江西耐可化工設(shè)備填料有限公司采用超重力技術(shù)對(duì)高濃度氨氮廢水進(jìn)行了中試研究，同樣取得了良好的處理效果，為含有高濃度氨氮的稀有金屬?gòu)U水處理嘗試了另一種途徑，并為工業(yè)化應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù)。

1 氨氮廢水的處理技術(shù)和研究進(jìn)展

按有關(guān)濃度劃分原則，NH3-N 質(zhì)量濃度在500 mg/L以上[5]的生活污水和工業(yè)廢水屬于高濃度的氨氮廢水。目前，高濃度氨氮廢水的脫氮主要采用物化法和新型生物脫氮法。其中，因經(jīng)濟(jì)成本等因素，物化法通常用于高濃度氨氮廢水的預(yù)處理，其主要包括吹脫法、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、短程硝化反硝化與同時(shí)硝化反硝化等。國(guó)內(nèi)外研究人員采用新型生物法對(duì)處理高濃度氨氮廢水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[6-10]，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)生物法，具有脫氮效率高，經(jīng)濟(jì)，外加碳源少等優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在菌種保持率低、易受溫度影響、操作過(guò)程復(fù)雜、控制難度高等不足。

2 超重力法的特點(diǎn)與處理高濃度氨氮廢水原理

2.1 超重力法的特點(diǎn)與應(yīng)用

目前，超重力技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，在油田注水脫氧[11]、氨氮廢水處理[12]、廢氣中SO2和H2S 的脫除[13]、納米材料的制備[14-16]、強(qiáng)化除塵過(guò)程和強(qiáng)化生化反應(yīng)過(guò)程[13]等方面都取得了可喜的成果。與傳統(tǒng)吹脫法相比，超重力法吹脫氨氮廢水具有氣相動(dòng)力消耗?。话钡コ矢?；設(shè)備體積小、運(yùn)行穩(wěn)定且操作彈性大；氣液比小，利于氨回收；能增加水中溶解氧等特點(diǎn)，工程化應(yīng)用效果顯著，具有廣泛的工業(yè)化應(yīng)用前景。

2.2 超重力法處理高濃度氨氮廢水原理

超重力工程技術(shù)的基本原理是利用超重力條件下多相流體系的獨(dú)特流動(dòng)行為，強(qiáng)化相與相之間的相對(duì)速度和相互接觸，從而實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)傳熱過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。運(yùn)用超重力技術(shù)處理高濃度氨氮廢水就是根據(jù)吹脫法的基本原理，采用超重力設(shè)備——超重機(jī)替代傳統(tǒng)的吹脫塔，利用超重機(jī)產(chǎn)生的超重力場(chǎng)使氨氮分子在氣液相間快速擴(kuò)散和傳質(zhì)，從而達(dá)到強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程和多相反應(yīng)過(guò)程的目的。

3 實(shí)驗(yàn)流程與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，外界進(jìn)水進(jìn)入均質(zhì)桶進(jìn)行調(diào)節(jié)均質(zhì)，然后在輸液泵的作用下經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后通過(guò)進(jìn)水管進(jìn)入超重機(jī)處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

3.2 氨氮測(cè)定方法

本實(shí)驗(yàn)氨氮濃度的測(cè)定基于納氏試劑分光光度法，由氨氮測(cè)定儀直接測(cè)定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 pH 對(duì)脫氮效果的影響

實(shí)驗(yàn)氨氮廢水的質(zhì)量濃度為10 090 mg/L，實(shí)驗(yàn)條件為廢水溫度40℃，氣液比為3000，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)1400r/min。調(diào)節(jié)廢水溶液的pH 為9、10、11、12、13 后進(jìn)行單級(jí)處理，分別測(cè)定其脫氮率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

如前所述，氨氮廢水中氨氮的存在形式主要受pH影響。有研究表明，當(dāng)pH 為11 左右時(shí)，游離氨（NH3）所占比例能達(dá)到90%以上。由圖2也可以看出，氨氮脫除率隨pH 的上升而提高，尤其是當(dāng)pH 從9 上升到11 時(shí)，單位pH 升高范圍內(nèi)脫氮率增長(zhǎng)速率比其他區(qū)段都要快，當(dāng)pH=13 時(shí)，氨氮脫除率達(dá)到81.4%。由此可以得出pH 是影響脫氮效率的關(guān)鍵因素，結(jié)合所用的實(shí)際工程廢水pH 為12、13，從處理效果和實(shí)際條件2 個(gè)方面來(lái)綜合考慮，選取廢水溶液pH=13 時(shí)較好。

圖2 pH 對(duì)脫氮效率的影響

4.2 廢水溫度對(duì)脫氮效果的影響

圖3是在pH=13，氣液比3000，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)1400r/min的實(shí)驗(yàn)條件下，廢水溫度對(duì)氨氮脫除率的影響（實(shí)驗(yàn)氨氮廢水的質(zhì)量濃度為11 033 mg/L）。

由圖3可知，隨著廢水溫度的升高，氨氮的脫除率也隨之提高。這主要存在2 個(gè)方面的原因：一方面游離氨的生成反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，有利于水中游離氨濃度的增加，同時(shí)增大氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)，增加了傳質(zhì)系數(shù)。另一方面，溫度的提高使氨在水中的溶解度降低，增加了傳質(zhì)推動(dòng)力[17]?？紤]到隨著溫度的升高，氨氮的脫除率增長(zhǎng)幅度不斷縮窄，實(shí)際廢水的溫度在40～45 ℃之間，所以結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果廢水溫度選取40 ℃比較合適。

圖3 溫度對(duì)脫氮效率的影響

4.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)脫氮效果的影響

在pH=13，溫度40 ℃，氣液比3 000 的實(shí)驗(yàn)條件下，考察電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)氨氮脫除率的影響（實(shí)驗(yàn)氨氮廢水的質(zhì)量濃度為10 980 mg/L），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)脫氮效率的影響

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：氨氮的脫除率隨轉(zhuǎn)速的提高是增加的，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)速在280～840 r/min 區(qū)間段內(nèi)，氨氮脫除率上升的幅度較大。超重力場(chǎng)之所以和普通重力場(chǎng)相比具有強(qiáng)化氣液間傳質(zhì)過(guò)程的特點(diǎn)，是因?yàn)樵诔亓?chǎng)中氣液受到比在普通重力場(chǎng)中大的多的離心力，使氣液在高速湍動(dòng)下接觸，從而達(dá)到提高傳質(zhì)效率的目的。超重力因子是用來(lái)衡量超重力場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)無(wú)因次量[18]，是平均離心加速度與常重力加速度之比，大小與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的平方成正比，因此提高轉(zhuǎn)速能增大超重力因子。超重力因子增大，則所受到的剪切力增大，巨大的剪切力使液膜的表面更新加快，增大了氣液接觸面積，從而極大地強(qiáng)化了氣液間的傳質(zhì)過(guò)程，增加了氨氮的脫除率。鑒于轉(zhuǎn)速超過(guò)840 r/min 后氨氮脫除率上升曲線漸趨平穩(wěn)，以及經(jīng)濟(jì)成本等原因，因此轉(zhuǎn)速在1 400 r/min 比較合適。

5 結(jié)論

（1）在pH=13，溫度40 ℃，氣液比3 000，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)1 400 r/min 的實(shí)驗(yàn)條件下，單級(jí)處理的脫氮率能達(dá)到80%多。

（2）與傳統(tǒng)吹脫塔處理高濃度氨氮廢水相比，超重力技術(shù)具有脫除率高、運(yùn)行方便，基建費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，可以作為二級(jí)處理使用。

（3）通過(guò)中試實(shí)驗(yàn)研究出超重力技術(shù)處理高濃度氨氮廢水的適宜條件，為工業(yè)化應(yīng)用與示范化推廣提供參考數(shù)據(jù)。