水中氨氮去除方法的機理和工藝

目前，水中氨氮的處理方法很多,其主要可分為兩大類:物理化學(xué)法和生物脫氮法。物理化學(xué)法有折點氯化法、化學(xué)沉淀法、吸附法、離子交換法、吹脫法和氣提法、液膜法、電滲析法、催化濕式氧化法等。生物法主要是利用微生物通過氨化、硝化、反硝化等一系列反應(yīng)使廢水中的氨氮最終轉(zhuǎn)化成無害的氮氣排放。

(一) 物理化學(xué)法

1.折點氯化法

折點氯化法是將氯氣通入廢水中達到某一點,在該點時水中游離氯含量較低,而氨的濃度降為零。當(dāng)氯氣通入量超過該點時,水中的游離氯就會增多。因此,該點稱為折點。該狀態(tài)下的氯化稱為折點氯化。折點氯化法除氨的機理為氯氣與氨反應(yīng)生成無害的氮氣,其反應(yīng)方程式為:  [[i]]

Cl2 + H2OHOCl + H+ + Cl –

NH4+ + HOClNH2Cl (一氯胺) + H2O + H+

NH2Cl + HOClNHCl2 (二氯胺) + H2O

NHCl2 + HOClNCl3 (三氯胺) + H2O

NH4+ + 3HOClN2↑+ 5H+ + 3Cl + 3H2O

N2逸入大氣,使反應(yīng)源源不斷向右進行。加氯比例:與之比為8 :l - 10 :1 。當(dāng)氨氮濃度小于20 mg/ L 時,脫氮率大于90 % ,pH 影響較大,pH 高時產(chǎn)生NO3- ,低時產(chǎn)生NCl3 ,將消耗氯,通?？刂苝 H 在6-8 [[ii]]。

此法用于廢水的深度處理,脫氮率高、設(shè)備投資少、反應(yīng)迅速完全,并有消毒作用。但液氯安全使用和貯存要求高,對p H 要求也很高,產(chǎn)生的水需加堿中和,因此處理成本高。另外副產(chǎn)物氯胺和氯代有機物會造成二次污染 [[iii]]。

2.化學(xué)沉淀(MAP) 法

在一定的pH條件下,水中的Mg2+、HPO43-  和NH4+可以生成磷酸銨鎂沉淀[[iv]],而使銨離子從水中分離出來。

影響沉淀效果的因素有沉淀劑種類及配比、pH值、廢水中的初始氨的濃度、干擾組分等。

有研究表明沉淀法去除廢水中氨氮的pH值為10.0 ,物質(zhì)的量之比Mg∶N= 1.2、P：N = 1. 02 時沉淀效果最好,氨氮去除率達到90 % [[v]] 。

趙慶良等[[vi]]研究表明,MgCl2·6H2O 和Na2HPO4·12H2O 組合沉淀劑優(yōu)于MgO 和H3PO4組合,垃圾滲濾液中的氨氮質(zhì)量濃度可由5618 mg/ L 降低到65 mg/ L。

李芙蓉等[[vii]]采用氧化鎂和磷酸作為沉淀劑去除煤氣洗滌循環(huán)水中高濃度的氨氮,效果良好。

李才輝等[[viii]]對MAP 法處理氨氮廢水的工藝進行優(yōu)化,研究表明氨氮的去除率隨著反應(yīng)時間的增加而增加,隨著Mg∶N 比值的增加而增加。

劉小瀾[[ix]]探討了不同操作條件對氨氮去除率的影響,在pH值為8.5-9. 5 的條件下,投加的藥劑Mg2+：NH4+∶PO43- (摩爾比)為1. 4∶1∶0. 8 時,廢水氨氮的去除率達99 %以上,出水氨氮的質(zhì)量濃度由2 g/ L 降至15 mg/ L。

國外對用化學(xué)沉淀法去除廢水中的氨氮也有較多研究。

Stratful等[[x]]詳細研究了影響磷酸銨鎂沉淀及晶體生長的因素,得出4點結(jié)論:

（1）過量的銨離子對形成磷酸銨鎂沉淀有利;

（2）鎂離子可能是形成磷酸銨鎂沉淀的限制因素;

（3）如果要想從廢水中回收磷酸銨鎂,需要得到比較大的晶體顆粒,則至少需要3 h 的結(jié)晶時間;

（4）沉淀的pH 值應(yīng)大于8. 5。

Battistoni 等[[xi]]進行了用化學(xué)沉淀法從廢水厭氧消化后的上清液中同時回收氮和磷的研究。廢水厭氧消化過程中,有機物中的氮和磷被微生物分解為無機的磷酸鹽和氨氮,添加MgO 可以生成磷酸銨鎂沉淀可回收磷和氮。

Lind 等[[xii]]則進行了用磷酸銨鎂沉淀法從人的尿液中回收營養(yǎng)物質(zhì)的研究,可以回收65. 0 % -80. 0 %的氮。

化學(xué)沉淀法的最大優(yōu)點是可以回收廢水中的氨,所生成的沉淀可以作為復(fù)合肥而利用。存在的主要問題是沉淀劑的用量較大,需要對廢水的pH 進行調(diào)整,另外有時生成的沉淀顆粒細小或是絮狀體,工業(yè)中固液分離有一定困難。

(二

1. 傳統(tǒng)硝化反硝化

傳統(tǒng)硝化反硝化工藝脫氮處理過程包括硝化和反硝化兩個階段。在將有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮的基礎(chǔ)上,硝化階段是將污水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽氮或硝酸鹽氮的過程;反硝化階段是將硝化過程中產(chǎn)生的硝酸鹽或亞硝酸鹽還原成氮氣的過程。只有當(dāng)廢水中的氮以亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的形態(tài)存在時,僅需反硝化一個階段。

盡管傳統(tǒng)硝化反硝化工藝脫氮在廢水脫氮方面起到了一定的作用,但仍存在以下問題:

（1）硝化菌群增殖速度慢且難以維持較高生物濃度,特別是在低溫冬季。因此造成系統(tǒng)總水力停留時間(HRT) 長,有機負荷較低,增加了基建投資和運行費用;

（2）硝化過程是在有氧條件下完成的,需要大量的能耗;

（3）反硝化過程需要一定的有機物,廢水中的COD 經(jīng)過曝氣有一大部分被去除,因此反硝化時往往要另外加入碳源(例如甲醇) ;

（4）系統(tǒng)為維持較高生物濃度及獲得良好的脫氮效果,必須同時進行污泥回流和硝化液回流,增加了動力消耗及運行費用;

（5）抗沖擊能力弱,高濃度氨氮和亞硝酸鹽進水會抑制硝化菌的生長;

（6）為中和硝化過程產(chǎn)生的酸度,需要加堿中和,增加了處理費用。

由于傳統(tǒng)硝化反硝化具有一些弊端,國內(nèi)外一些學(xué)者研究的熱點集中在如何改進傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝。近年來研究成果主要有短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、同時硝化反硝化、反硝化除磷等。

2.  短程硝化反硝化

短程硝化反硝化又稱亞硝化反硝化,把硝化反應(yīng)過程控制在氨氧化產(chǎn)生NO2-的階段, 阻止NO2-進一步氧化, 直接以NO2-作為菌體呼吸鏈氫受體進行反硝化。此過程減少了亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽,然后硝酸鹽再還原成亞硝酸鹽兩個反應(yīng)的發(fā)生,降低了需氧量、反硝化過程中有機碳的投入量,降低了能耗和運行費用。

短程硝化反硝化與傳統(tǒng)的生物脫氮相比具有以下優(yōu)點:

（1）于活性污泥法,可以節(jié)省25 %的供養(yǎng)量, 降低能耗;

（2）節(jié)省反硝化所需碳源40% ,在C/ N一定的情況下可提高總氮的去除率;

（3）減少污泥量可達50 %;

（4）減少堿耗;

（5）提高反應(yīng)速率,縮短反應(yīng)時間,減少反應(yīng)器容積。

實現(xiàn)短程硝化與反硝化的關(guān)鍵是抑制硝化菌的活性而使NO2-得到累積。影響硝化菌活性及NO2-累積的因素有自由氨、pH、DO、溫度等。

三、未來展望

氨氮是廢水治理的重要研究對象之一,人們對此正在不斷嘗試物理、化學(xué)、生物等多種工藝技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。鑒于各種方法存在的問題及其開發(fā)前景,今后氨氮廢水的研究應(yīng)著重考慮以下幾個方面:

(1) 廉價沉淀劑的開發(fā),包括磷源、鎂源的開發(fā)研究及循環(huán)利用。

(2) 優(yōu)化吸附劑的性能,延長其使用周期及壽命。

(3) 深入研究微生物法去除氨氮,馴化高效功能菌種。

(4) 復(fù)合工藝取代單一工藝徹底去除廢水中氨氮。

(5) 擴大實驗研究的工業(yè)化應(yīng)用。