[资料] 废水氨氮处理探讨

随着化肥、石油化工等行业的迅速发展壮大，由此而产生的高氨氮废水也成为行业发展制约因素之一；据报道,2001年我国海域发生赤潮高达77次，氨氮是污染的重要原因之一，特别是高浓度氨氮废水造成的污染。因此，经济有效的控制高浓度氨氮废水污染也成为当前环保工作者研究的重要课题，得到了业内人士的高度重视。目前，处理氨氮废水的物理、化学法等常规技术根本不能经济有效的治理目的，存在处理效果差，运行费用高的问题。生物处理法中，一般采用的A/O法、A2/O法、SBR序批处理法等对脱氮具有一定效果的工艺技术，一般处理的废水氨氮含量不能超过300mg/L，同时，为了实现脱氮的目的，必须补充相应的碳源来配合实现氨氮的脱除，使运行费用有很大的增加，是一般企业根本无法承受。高浓度氨氮废水来源多，排放量大，采用经济有效的技术实现处理要求迫在眉睫。
         近年来，随着生物工程技术的发展，特别是定向分离和培育的特性微生物工程技术的飞速进步，使传统脱氮理论受到挑战，并在实际高氨氮废水的处理项目中被打破。生物脱氮理论上有了很多进展，新的脱氮理论在实践上得到了很好的验证，如： ①亚硝酸硝化/反硝化工艺。该工艺可以节省25％硝化曝气量，节省40％的反硝化碳源，节省50％反硝化反应器容积。 ②同时硝化/反硝化工艺（SND）。好氧环境和缺氧环境同时存在的一个反应器中，由于许多新的氮生物化学菌族被鉴定出来，在菌胶团作用下，硝化/反硝化同时进行，从而实现了低碳源条件下的高效脱氮。 ③好氧反硝化 在好氧条件下，某些好氧反硝化菌能够通过氨氮的生物作用形成氧化氮和氧化亚氮等气态产物。 ④厌氧氨氧化 一些微生物能够以硝酸盐、二氧化碳和氧气为氧化剂将氨氧化为氮气。
          总之，存在大幅度提高生物脱氮效率的生物学基础，而且效率的提高并不意味着成本的上升。在这种前提下，I-BAF处理高氨氮废水的工艺技术应运而生，该技术在处理高氨氮废水方面有独特的技术及经济优势：
         I－BAF技术打破和超越了常规硝化/反硝化生物治理氨氮废水的理论基础。由于采用了特殊生物工程技术分离和培养的专用菌族（噬氮菌菌族），配合满足噬氮菌处理高氨氮废水的生物环境需要的载体，在I-BAF池中同时存在着硝化/反硝化、亚硝酸硝化/反硝化工艺、同时硝化/反硝化、好氧反硝化、厌氧氨氧化等生物反应历程，时期能够发挥出最高效的脱氮效率。
       （2）设备投资小，运行费用低、运行管理简单。由于能够更加高效的去除高氨氮，同时对化肥生产企业的低有机物、高氨氮的特性废水处理过程中，补充碳源极少，本处理工艺产生的污泥量极少，无需增加高额的污泥处置投资和费用，在长期的水处理设施运行中，微生物和载体一经投入无需补加，固定化微生物技术对进水的抗波动能力强，现场操作简便，更加容易实现自动化控制，所以，I-BAF工艺技术处理高氨氮废水表现出了强大的技术经济优势。
         （3） I-BAF工艺技术可以实行模块式应用和管理，针对不同的处理要求，可以增加或减少处理单元，改变处理后出水指标，在增加相应的处理模块的情况下，可以对出水进行更深度的处理，使其达到回用指标要求，用于生产工艺、循环冷却水、绿地或冲洗等使用，节约大量补充用水，为企业节省大量的排污费的同时，可以节约大量的用水费用。
  　　废水中的氮常以合氮有机物、氨、硝酸盐及亚硝酸盐等形式存在。生物处理把大多数有机氮转化为氨，然后可进一步转化为硝酸盐。目前采用的除氮工艺有生物硝化与反硝化、沸石选择性交换吸附、空气吹脱及折点氯化等四种。　　
  生物硝化与反硝化(生物陈氮法)
  　　在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程，称为生物硝化作用。生物硝化的反应过程可知：(1)在硝化过程中，1g氨氮转化为硝酸盐氮时需氧4.57g；(2)硝化过程中释放出H+，将消耗废水中的碱度，每氧化lg氨氮，将消耗碱度(以CaCO3计) 7.lg。
  影响硝化过程的主要因素有：(1)pH值   当pH值为8.0～8.4时(20℃)，硝化作用速度最快。由于硝化过程中pH将下降，当废水碱度不足时，即需投加石灰，维持pH值在7.5以上；(2)温度   温度高时，硝化速度快。亚硝酸盐菌的最适宜水温为35℃，在15℃以下其活性急剧降低，故水温以不低于15℃为宜；(3)污泥停留时间   硝化菌的增殖速度很小，其最大比生长速率为 ＝0.3～0.5d-1(温度20℃，pH8.0～8.4)。为了维持池内一定量的硝化菌群，污泥停留时间 必须大于硝化菌的最小世代时间 。在实际运行中，一般应取 ＞2 ,或 ＞2 ；(4)溶解氧   氧是生物硝化作用中的电子受体，其浓度太低将不利于硝化反应的进行。一般，在活性污泥法曝气池中进行硝化，溶解氧应保持在2～3mg/L以上；(5)BOD负荷   硝化菌是一类自养型菌，而BOD氧化菌是异养型菌。若BOD5负荷过高，会使生长速率较高的异养型菌迅速繁殖，从而佼白养型的硝化菌得不到优势，结果降低了硝化速率。所以为要充分进行硝化，BOD5负荷应维持在0.3kg(BOD5)/kg(SS).d以下。
  二) 生物反硝化
  　　在缺氧条件下，由于兼性脱氮菌(反硝化菌)的作用，将NO2--N和NO3--N还原成N2的过程，称为反硝化。反硝化过程中的电子供体(氢供体)是各种各样的有机底物(碳源)。以甲醇作碳源为例，其反应式为：
  6NO3-十2CH3OH→6NO2-十2CO2十4H2O
  6NO2-十3CH3OH→3N2十3CO2十3H2O十60H-
  由上可见，在生物反硝化过程中，不仅可使NO3--N、NO2--N被还原，而且还可位有机物氧化分解。
  
  　　影响反硝化的主要因素：(1)温度  温度对反硝化的影响比对其它废水生物处理过程要大些。一般，以维持20～40℃为宜。苦在气温过低的冬季，可采取增加污泥停留时间、降低负荷等措施，以保持良好的反硝化效果；(2)pH值  反硝化过程的pH值控制在7.0～8.0；(3)溶解氧  氧对反硝化脱氮有抑制作用。一般在反硝化反应器内溶解氧应控制在0.5mg/L以下(活性污泥法)或1mg/L以下(生物膜法)；(4)有机碳源  当废水中含足够的有机碳源，BOD5/TN＞(3～5)时，可无需外加碳源。当废水所含的碳、氮比低于这个比值时，就需另外投加有机碳。外加有机碳多采用甲醇。考虑到甲醇对溶解氧的额外消耗，甲醇投量一般为NO3--N的3倍。此外，还可利用微生物死亡；自溶后释放出来的那部分有机碳，即"内碳源"，但这要求污泥停留时间长或负荷率低，使微生物处于生长曲线的静止期或衰亡期，因此池容相应增大二、沸石选择性交换吸附
  　　沸石是一种硅铝酸盐，其化学组成可表示为(M2+，2M+)O.Al2O3.mSiO2·nH2O (m＝2～10，n＝0～9)，式中M2+代表Ca2+、Sr2+等二价阳离子，M+代表Na+、K+等一价阳离子，为一种弱酸型阳离子交换剂。在沸石的三维空间结构中，具有规则的孔道结构和空穴，使其具有筛分效应，交换吸附选择性、热稳定性及形稳定性等优良性能。天然沸石的种类很多，用于去除氨氮的主要为斜发沸石。
  　　斜发沸石对某些阳离子的交换选择性次序为：K+，NH4+＞Na+＞Ba2+＞Ca2+＞Mg2+。利用斜发沸石对NH4+的强选择性，可采用交换吸附工艺去除水中氨氮。交换吸附饱和的拂石经再生可重复利用。
  溶液pH值对沸石除氨影响很大。当pH过高，NH4+向NH3转化，交换吸附作用减弱；当pH过低，H+的竞争吸附作用增强，不利于NH4+的去除。通常，进水pH值以6～8为灾。当处理合氨氮10～20mg/L的城市严水时，出水浓度可达lmg/L以下。穿透时通水容积约100～150床容。沸石的工作交换容量约0.4×10-3n-1mol/g左右。
  Pc;hbt nt+_Js0吸附铵达到饱和的沸石可用5g/L的石灰乳或饱和石灰水再生。再生液用量约为处理水量的3～5%。研究表明，石灰再生液中加入0.1mol的NaCl，可提高再生效率。针对石灰再生的结垢问题，亦有采用2％的氯化钠溶液作再生液的，此时再生液用量较大。再生时排出的高浓度合氨废液必须进行处理，其处理方法有：(1)空气吹脱 吹脱的NH3或者排空，或者由量H2S04吸收作肥料；(2)蒸气吹脱 冷凝液为1%的氨溶液，可用作肥料；(3)电解氧化(电氯化) 将氨氧化分解为N2。
  三、空气吹脱
  1Mozv|+{5Iv0　　在碱性条件下(pH＞10.5)，废水中的氨氮主要以NH3的形式存在(图20-2)。让废水与空气充分接触，则水中挥发性的NH3将由液相向气相转移，从而脱除水中的氨氮。吹脱塔内装填木质或塑料板条填料，空气流由塔的下部进入，而废水则由塔顶落至塔底集水池。
  影响氨吹脱效果的主要因素有：
  (1)pH值  一般将pH值提高至10.8～11.5；
  (2)温度  水温降低时氨的溶解度增加，吹脱效率降低。例如，20℃时氨去除率为90～95％，而10℃时降至约75%，这为吹脱塔在冬季运行带来困难；
  (3)水力负荷  水力负荷(m3/m2．h)过大，将破坏高效吹脱所需的水流状态，而形成水幕；水力负荷过小，填料可能没有适当湿润，致使运行不良，形成干塔。一般水力负荷为2.5～5m3/m2．h；
  (4)气水比  对于一定塔高，增加空气流量，可提高氨去除率；但随着空气流量增加，压降也增加，所以空气流量有一限值。一般，气/水比可取2500～5000(m3/m2)；
  (5)填料构型与高度  由于反复溅水和形成水滴是氨吹脱的关键，因此填料的形状、尺寸、间距、排列方式够都对吹脱效果有影响。一般，填料间距40～50mm，填料高度为6～7.5m。若增加填料间距，则需更大的填料高度；
  6)结垢控制  填料结垢(CaCO3)特降低吹脱塔的处理效率。控制结垢的措施有：用高压水冲洗垢层；在进水中投加阻垢剂：采用不合或少含CO2的空气吹脱(如尾气吸收除氨循环使用)；采用不易结垢的塑料填料代替木材等。
         空气吹脱法除氨，去除率可达60～95%，流程简单，处理效果稳定，基建费和运行费较低，可处理高浓度合氨废水。但气温低时吹脱效率低，填科结垢往往严重干扰运行，且吹脱出的氨对环境产生二次污染。
  四、折点氯化
  　　投加过量氯或次氯酸钠(超过"折点"，参见第十四章)，使废水中氨完全氧化为N2的方法，称为折点氯化法，其反应可表示为：
  l2A0NH4+十1.5HOCl→0.5N2十1.5H2O十2.5H+十1.5Cl- 　
  由反应式可知，到达折点的理论需氯(C12)量为7.6kg/kg(NH3-N)，而实际需氯量在8～10kg/kg(NH3-N)。在pH＝6～7进行反应，则投药量可最小。接触时间一般为0.5～2h。严格控制pH值和投氯量，可减少反应中生成有害的氯胺(如NCl3)和氯代有机物。
  C0折点氯化法对氨氮的去除率达90～100%，处理效果稳定，不受水温影响，基建费用也不高。但其运行费用高；残余氯及氯代有机物须进行后处理。　　在目前采用的四种脱氮工艺中，物理化学法由于存在运行成本高、对环境造成二次污染等问题，实际应用受到-定限制。而生物脱氮法能饺为有效和彻底地除氮，且比较经济，因而得到较多应用。

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