吹脫法處理高氨氮廢水關鍵因素研究進展

吳海忠

（北京建筑工程學院 城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京100044）

1 引言

2010年我國工業廢水排放量為658×108t，約占全國廢水排放量的40%，其中氨氮廢水為94×104t，去除率平均值為62%[1]。高濃度氨氮廢水來源很多，并且排放量大、成分復雜、毒性強，如化肥、焦化、石油化工、鐵合金、肉類加工和飼料生產、玻璃制造、垃圾滲濾液等行業排放的高濃度氨氮廢水，一般氨氮濃度在200～6000mg/L，目前我國制藥行業是氨氮排放最大的行業之一[2]。可見加強工業廢水的治理勢在必行，特別是氨氮廢水的去除。另外，我國“十二五”期間污染物約束性指標中，氨氮排放總量控制目標要求比2010年減少10%。

常用的處理氨氮廢水的方法主要有吹脫法、生化法、離子交換法、折點氯化法和磷酸銨鎂沉淀（MAP）法等。目前，國內多采用生化法和吹脫法，國外則多采用生化法和磷酸銨鎂沉淀法。吹脫法多用于處理中高濃度、大流量氨氮廢水，吹脫出的氨可以回收利用，但有容易結垢、低溫時氨氮去除效率低、吹脫時間長、二次污染、出水氨氮濃度仍偏高等缺點[3]，所以明確影響吹脫法的關鍵因素，提高氨氮去除率，對于氨氮處理成本控制、水污染得到控制、實現城市的可持續發展具有重要的意義。

2 吹脫法的基本原理

吹脫法的基本原理是利用廢水中所含的氨氮等揮發性物質的實際濃度與平衡濃度之間存在的差異，在堿性條件下使用空氣吹脫，由于在吹脫過程中不斷排出氣體，改變了氣相中的氨氣濃度，從而使其實際濃度始終小于該條件下的平衡濃度，最終使廢水中溶解的氨不斷穿過氣液界面，使廢水中的NH3－N得以脫除，常以空氣作為載體。氨吹脫是一個傳質過程，推動力來自空氣中氨的分壓與廢水中氨濃度相當的平衡分壓之間的差，氣體組份在液面的分壓和液體內的濃度符合亨利定理[4]，即成正比關系。此法也叫“氨解析法”，解析速率與溫度、氣液比有關。

吹脫法一般采用吹脫池（也稱“曝氣池”）和吹脫塔兩類設備。但吹脫池占地面積大，而且易污染周圍環境，所以有毒氣體的吹脫都采用塔式設備。塔式設備中填料吹脫塔主要特征是在塔內裝置一定高度的填料層，使具有大表面積的填充塔來達到氣—液間充分接觸。常用填料有紙質蜂窩、拉西環、聚丙烯鮑爾環、聚丙烯多面空心球等。廢水被提升到填充塔的塔頂，并分布到填料的整個表面，水通過填料往下流，與氣流逆向流動，廢水在離開塔前，氨組份被部分汽提，但需保持進水的pH值不變。空氣中氨的分壓隨氨的去除程度增加而增加，隨氣水比增加而減少。影響吹脫法處理氨氮廢水去除率主要是pH值、溫度、氣液比/吹脫水位深度、吹脫時間等因素。

國內外進行吹脫實驗，一般采用的實驗裝置如圖1所示。

圖1 空氣吹脫法實驗裝置

3 影響吹脫法去除效率的關鍵因素

3.1 pH值對吹脫效率的影響

水中的氨氮，大多以氨離子（NH4＋）和游離氨（NH3）保持平衡的狀態而存在，吹脫效率與水中游離氨含量直接相關。其平衡關系式如下：

該反應是一個可逆反應，當pH值升高，平衡向右移動，游離氨的比例增大，當pH值為11左右時，游離氨大致占90%。根據水的離子積為常數的原理，即[H＋][OH－]＝Kw為一常數，pH值是影響游離氨在水中百分率的主要因素。

周明羅[5]利用吹脫法處理實驗室自制濃度氨氮為3000mg/L，吹脫升高效率隨pH值而不斷增大；當pH值小于10時，氨氮去除率從22.6%上升到75.8%；當pH值從10升高11，去除率增大到93.5%，增大幅度變小；當pH值大于11時，變化趨于平緩。李瑞華[6]采用氨吹脫工藝處理焦化廠廢水氨氮濃度90～700mg/L實驗，發現堿的投加量在1L廢水15～30mmoL，pH值為11時最適宜。Ca（OH）2調節pH值產生的沉淀物堵塞吹脫塔的填料和輸送管道，實際工程中用NaOH調節廢水的pH值。P H Liao A[7]采用曝氣和吹脫去除養豬業產生的高濃度氨氮廢水進行試驗，pH值為11.5時，吹脫的方法最好的結果達到了90%去除率。從以上可知，吹脫法最適宜的pH值為11左右，保證吹脫效率的同時，降低藥劑費用。

3.2 溫度對吹脫效率的影響

生成氨氣的反應是一個吸熱反應，當溫度較高時，氨氣的揮發速度大于溶解速率，平衡向右進行，但當溫度大于30℃時，水分蒸發速度加快，導致廢水的氨氮濃度升高，使得去除率下降。吹脫法在垃圾滲濾液中的應用和研究較多，吳成強等[8]實驗結果表明pH值與溫度互為影響吹脫效率，溫度越低時，初始pH值對吹脫效率的影響顯著，溫度較高（≥30℃）時，pH值對吹脫效率影響不大；初始pH值越低時，溫度對吹脫效率的影響越顯著。在剛開始20～40℃時曲線變化較快，即氨氮去除率增加較大，但當溫度超過40℃時吹脫效率較差。李瑞華等采用吹脫法預處理焦化廢水中氨氮，當溫度上升至60℃時，游離氨所占質量分數增大，分子的布朗運動加快，有利于氨吹脫的傳質。而朱菁[9]用高溫脫氨—吹脫法處理高濃度染料化工廢水，需要70～80℃。劉文龍等[10]采用吹脫法處理催化劑生產過程中產生的含（NH4）2SO4高濃度氨氮廢水（4300mg/L），吹脫溫度為80℃，氨氮脫除率達到99.2%，氨氮質量濃度可降至60mg/L以下，運行成本太高。處理不同氨氮廢水需要的最佳溫度不同，沒有一個適合的范圍，需要通過實驗研究確定。

3.3 氣液比對吹脫效率的影響

吹脫設備增大供氣量或氣水自由接觸表面積都能加速NH3的傳質，然而在實際工程應用中，在用地許可的情況下，增大后者可以提高處理效果，節省運行費用。吳成強等利用馬鞍型填料塔處理垃圾滲濾液發現在合理pH值范圍內，氣水比決定了吹脫塔高徑比對吹脫效率的影響，氣水比較高（＞400）時，高徑比越大，吹脫效率越高。增加氣液界面的表面張力，選擇合適的氣液比，提高曝氣的單位時間氣水比，研究其他不同填料曝氣吹脫氨氮的影響，計算傳質系數關聯式，找到最佳填料。總傳質系數和曝氣速率的關系，仍需要進一步的研究。

吹脫效率與氣液比成線性關系，當氣液比為2000～5000時，傳質過程符合溶質滲透理論，應從動力消耗和吹脫效率兩方面考慮。吳方同[11]等采用規整填料塔吹脫去除垃圾滲濾液中的氨氮，進水氨氮濃度在2000mg/L左右，吸收段為塑料填料，吹脫段為不銹鋼填料。在溫度為25℃，pH值為10.5～11.0，氣液比為2900～3600時氨吹脫效率達95%以上。氣液比也影響著氨吹脫效率，Bonmati A[12]等利用脫法處理中溫厭氧消化后的養豬場廢水，氣液比為30∶1，然而Pi K W[13]等吹脫法預處理垃圾填埋場氣液比3000∶1到6000∶1。在工程應用中吹脫法預處理焦化廢水，李瑞華是采用的YZ型塑料彈性填料，比表面為850～859m2/m3，氣液比可達2000～2500，去除率為80%，運行費用1元/t。可見，針對不同種類廢水，利用填料的不盡相同，應該增加吹脫傳質面積，減少動力消耗，提高吹脫效率。

3.4 吹脫時間對吹脫效率的影響

減小吹脫時間，有利于加快反應速度，提高處理量，減少設備的容積。徐穎[14]采用吹脫法處理垃圾滲濾液，吹脫段pH值為11，氣液比在2000～2300，吹脫時間9h，反應條件達到最佳吹脫效率才達到52.0%。盧平[15]等采用吹脫—缺氧—兩級好氧工藝處理垃圾滲濾液，垃圾滲濾液取自香港某垃圾填埋場，氨氮濃度1400mg/L，pH值為9.5，吹脫時間12h，經吹脫后氨氮去除率為60%。傅金祥[16]等采用吹脫法垃圾滲濾液，進水氨氮濃度1800mg/L，最佳pH值為11，最佳氣液比為360∶1，空氣量為3.0L/min，吹脫時間為1h，去除效率可達88.75%。由此可看出處理相同的廢水最佳吹脫時間也相差很大，可能是因為采用的填料不同、裝置設計的合理性等原因造成，吹脫處理后能夠很好地進行后續處理和控制運行成本。

4 聯合處理

目前利用吹脫法預處理的研究很多，比如有利用吹脫與催化轉化串聯，所采用的催化劑主要是負載金屬氧化物（Al2O3），該法處理成本昂貴，應用較少。王保學[17]采用空氣吹脫＋UASB（升流式厭氧污泥床）工藝處理垃圾滲濾液，經過試驗表明在pH值10～11、溫度20℃、吹脫氣體流量為0.17m3/min、吹脫8h條件下廢水有利于后續加入顆粒活性炭處理。王獻平[18]等氮肥廠經吹脫前期處理，然后進入A/O工藝，處理氮肥廠污水，水量20m3/h，進水水質氨氮濃度為1000mg/L，出水穩定在1mg/L。盧平等采用吹脫－缺氧－兩級好氧工藝處理垃圾滲濾液，垃圾滲濾液取自香港某垃圾填埋場，氨氮濃度1400mg/L，pH 值7.8～9.0，選定 pH 值為9.5，吹 脫時 間12h，經吹脫后氨氮去除率為60%，再經缺氧—好氧生物處理后對氨氮和COD的去除率大于90%。雷春生等[19]水樣來自于常州市某制藥廠的制藥廢水，其pH值為8.5，濁度為2NTU、氨氮廢水濃度為29856mg/L，COD濃度為5987mg/L。采用納式試劑光度法測定氨氮濃度，有機復合脫氮劑/吹脫法對氨氮的去除率可達99.99%以上，廢水中的剩余氨氮濃度最低可達0.2mg/L。有機復合脫氮劑/吹脫法的最佳pH值比直接吹脫法的低，節省了加堿量。最佳氣液比是直接吹脫的1/10，大大節約了能耗，吹脫時間縮短很多。可以發現吹脫法作為預處理能夠取得很好的效果，最后雷春生等通過使用有機復合脫氮劑取得了很好的效果，但是對于其他廢水處理效果有待考驗。

5 結語

目前國內采用吹脫法處理氨氮廢水較多。采用吹脫法時，不僅應關注如何提高氨氮吹脫效率，還應主動防止二次污染。當然也存在大量的局限性，大部分設計只停留在從pH值、溫度、氣液比、吹脫時間上考察處理氨氮的效率，其關鍵參數和結構設計等都值得仔細推敲。近年來，許多學者通過對實踐經驗的總結和反思，提出了很多技術設計上的改進方法：采用吹脫－缺氧－兩級好氧工藝處理垃圾滲濾液，通過聯合法處理氨氮廢水；直接吹脫法處理高濃度氨氮廢水的基礎上在盛水容器中的廢水加入有機復合脫氮劑，但指出有機復合脫氮劑的脫氮機理還有待進一步的研究。

吹脫法處理高濃度氨氮廢水雖然在一定程度上得到了很大的改進，但吹脫效率受到很多因素的影響，需要進一步深刻研究和分析，具體如下：溫度對吹脫效率的影響很大；吹脫時間比較長，一般在1～12h；目前幾乎沒有關于改變吹脫塔填料特性對高濃度氨氮吹脫效率影響的研究；吹脫產生氨氣，二次污染。

對高濃度氨氮廢水的處理，國內的研究目前主要集中在物化法，很少采用生物法[20]，所以應該采用吹脫法與其他脫氮工藝相互組合，實現優勢互補，達到最佳運行條件，最后使出水達到國家標準。尋找運行成本低、可靠、高效處理高濃度氨氮廢水的工藝和技術有重要的現實意義。

[1]國家環境保護總局.中國環境統計年報[R].北京：中國環境科學出版社.2010.

[2]仝武剛，王繼徽.高濃度氨氮廢水的處理現狀與發展[J].工業水處理，2002，22（9）：9～11.

[3]鐘金松，閔育順，肖賢明，等.淺談高濃度氨氮廢水處理的可持續發展方向[J].環境科學與技術，2008，31（2）：92－94.

[4]馮德華.化學工程手冊[M].北京：化學工業出版社.1989.

[5]周明羅.吹脫法處理高濃度氨氮廢水[J].廣州環境科學.2005，20（1）：9～11.

[6]李瑞華，韋朝海，吳超飛，等.吹脫法預處理焦化廢水中氨氮的條件試驗與工程應用[J].環境工程，2007，25（3）：38～40.

[7]P.H.Liao A.Chen，K.V.Removal of nitrogen from swine manure wastewaters by ammonia stripping[J].Bioresource Technology，1995，54（1）：17～20.

[8]吳成強，任國芬，王宏宇，等.高氨垃圾滲濾液的吹脫條件控制研究[J].環境污染與防治，2006，28（8）：592～594.

[9]朱 菁.高溫脫氨－吹脫法處理高濃度氨氮廢水的工程實踐[J].環境科學與管理，2009，34（1）：107～109.

[10]劉文龍，錢仁淵，包宗宏，等.吹脫法處理高濃度氨氮廢水[J].南京工業大學學報：自然科學版，2008，30（4）：56～59.

[11]吳方同，蘇秋霞，了 夢，等.吹脫法去除城市垃圾填埋場滲濾液中的氨氮[J].給水排水，2001，27（6）：20～24.

[12]Bonmati A，Flotats X.Air stripping of ammonia from pig slurry：characterisation and feasibility as pre－or post－treatment to mesophilic anaerobic digestion[J].Waste Manage，2003（23）：261～272.

[13]Pi，K.W，Li Z，Wan，D J.Gao L.X.Pre－treatment of municipal landfill lechate by a combined process[J].Process Saf.Environ.Prot.2009（87）：191～196.

[14]徐 穎，唐壽明，李 鋒，等.吹脫法對垃圾滲濾液中氨氮去除效果[J].遼寧工程技術大學：自然科學版，2009（28）：152～153.

[15]盧 平，曾麗璇，張秋云，等.高濃度氨氮垃圾滲濾液處理方法研究[J].中國給水排水，2003，19（5）：44～45.

[16]傅金祥，張榮新，范 旭，等.吹脫法去除垃圾滲濾液中氨氮[J].沈陽建筑大學：自然科學版，2011，27（4）：741～745.

[17]王保學.空氣吹脫＋UASB處理垃圾滲濾液的工藝試驗研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[18]王獻平，李 韌.吹脫＋A/O工藝處理氮肥企業高氨氮廢水的工程實踐[J].環境工程，2007，25（5）：102～104.

[19]雷春生，馬 軍，關小紅，等.有機復合脫氮劑/吹脫法與直接吹脫法的除氨比較[J].中國給水排水，2009，25（23）：82～84.

[20]丁思慧.用物化法對高濃度氨氮廢水的前期處理[J].安徽化工，2000，4（4）：42～43.