鋁廠二次利用水中氨氮和磷的去除研究

蔡金玲（貴州交通職業技術學院，貴州 貴陽 551400）

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鋁廠二次利用水中氨氮和磷的去除研究

蔡金玲
（貴州交通職業技術學院，貴州 貴陽 551400）

摘 要：氮、磷的存在通常被認為會造成水質的富營養化。氨氮在地表水中如果較高，會導致對水生生物有毒，主要是由于水中非離子氨（NH3）造成的。本文結合貴州鋁廠在污水零排放前后的水質情況，主要分析了二次利用水中氨氮和磷的主要去除途徑、原理及氮、磷走勢對二次利用水系統的影響。

關鍵詞：氨氮；磷；去除

Abstract:The presence of nitrogen and phosphorus is generally believed to result in the eutrophication of water quality. In the surface water if there is a higher ammonia nitrogen， can cause toxic to aquatic organisms， toxicity is mainly caused by the water ammonia（NH3）. In this paper， combining with the development of Guizhou aluminum plant in before and after the zero discharge of sewage water quality， the main analysis of the reclaimed water ammonia nitrogen and phosphorus mainly removal approach， principle of nitrogen and phosphorus， and the trend of reclaimed water system influence.

Keywords:Ammonia nitrogen； phosphorus； remove

1 概述

氮、磷的存在通常被認為會造成水質的富營養化。氨氮是氮在水相中的主要形態，水相中的氨氮以非離子氨（NH3）和離子氨（NH4+）兩種形式存在，隨著水體pH值的變化，NH3和NH4+相互轉化，兩者處于平衡狀態，轉換關系如下式：

氨氮在地表水如果較高，會對水生生物有毒，這主要是由于水中非離子氨（NH3）造成的。如果水體中的氮過量則成為污染因子。氨在0.5mg/L時，即能對水生生物，尤其是魚類造成毒害，妨礙魚腮的氧傳遞，為此我國《地面水環境質量標準》（GB3838）對II類地面水規定非離子氨氮不得大于0.02mg/L。氨氮是高耗氧性物質，水體中過量氨氮等存在易使藻類大量繁殖、富集，大量消耗水中的溶解氧，引起水體發臭。氨氮的存在還會使得供水管線尤其是給水管網中極易繁殖微生物，形成生物膜腐蝕管道。

磷作為一種無機營養物質，和氨氮一樣造成水質的富營養化。此外，在對冷卻水的水質穩定處理公式，往往添加磷酸鹽或其他磷試劑。由于溫度、停留時間、微生物、氧化等影響物質，磷試劑將部分水解為正磷酸鹽，PO43-存在水，分解率隨冷卻水的停留時間不同，大約為10%～40%。當水的pH值較高，水中Ca2+濃度較大，PO43-與Ca2+生成溶解度僅0.lmg/L磷酸鈣沉淀，附著在換熱表面磷酸鈣沉淀的形成，增加了磷試劑在循環水系統中，應特別注意對鈣磷酸鈣垢的形成問題。其反應如下：

2 鋁廠二次利用水水質現狀

前面的概述中已分析了氮磷對水質富營養化的危害，也即影響對水質的生物穩定。本文結合貴州鋁廠在污水零排放前后的水質情況，主要分析了二次利用水中氨氮和磷的主要去除途徑、原理及氮、磷走勢對二次利用水系統的影響。

圖1 氧化鋁二次利用水氨氮走勢圖

圖2 氧化鋁二次利用水氨氮走勢圖

二次利用水氨氮和磷的主要來源于工藝流程中的含氮物質、含磷藥劑的使用和生活污水中的人體排泄物等。在水體中含量過高會引起水質富營養化。

表1 二次利用水含磷示意表

鋁廠二次利用水中氮的含量均在5mg/L以下。圖1和圖2表示了水中氨氮的走勢：在2006年4月全廠零排放之前，東西片區二次利用水氨氮均有上升的趨勢，在2006年4月零排放全面實施后氨氮開始降低后逐步穩定。

表1是鋁廠二次利用水中磷的含量，可見磷在二次利用水中含量是比較低的。此程度由于含磷不足而造成了水質的富營養化。

3 鋁廠二次利用水中氨氮和磷的主要去除途徑及原理

3.1 鋁廠二次利用水中氨氮主要去除途徑及原理

鋁廠二次利用水氨氮的去除主要有以下途徑：冷卻塔的吹脫作用和pH對氨氮的影響。

水中的氨氮多以游離氨（NH3）和離子氨（NH4+）兩種形式存在，兩者并保持平衡。平衡關系為：NH＋HO→NH+

324＋OH-

這一平衡受pH的影響。pH升高，平衡向左移動，游離氨所占的比例增大。在不同的pH和水溫條件下，氨離子與游離氨所占總氨氮的摩爾分數如圖3所示。

由圖3可知，pH大于7時，水中氨氮主要以游離氨的狀態存在，而當pH大于11時，游離氨摩爾分數大約在90%以上。

游離氨易于從水中逸出，在冷卻塔中水得到曝氣吹脫，如水的pH升高，則可促使氨從水中逸出。這在冷卻塔中完全可以做到。氧化鋁二次利用水pH一般均在11～12甚至以上的情況，水中氨氣也可以安全逸出。

影響冷卻塔中氨去除效率的因素有：

pH：氨氣脫除效果隨pH上升而提高，但提高到10.5以上，去除率提高緩慢。

水溫：水溫升高，氨氣去除率也隨之增大。

水力荷率：布水必須以水滴狀態下落，若以水膜狀態下落，脫氨效果不佳。

氣液比：當填料高度在6m以上時，氣液比宜為2200～2300，空氣流速的上限宜為1600m/min。

吹脫工藝對COD、BOD、SS和濁度等均有部分去除效果，COD去除率約為25%～50%，BOD去除率約為65%，SS去除率約為50%，濁度去除率約為90%。

3.2 磷的去除途徑及原理

二次利用水中的磷主要來源來自于生產工藝中含磷藥劑的投加、生活污水的匯入等，廢水中的磷一般以正磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷形態出現，其中以正磷酸鹽和聚磷酸鹽占絕大部分，磷可以在有機磷和無機磷、可溶性磷和不可溶性磷之間互相轉換，但價態不發生改變。除磷效果較好的方法是化學沉淀法和生物法。對于貴鋁廢水，因磷含量相對不高且磷不作為主要敏感指標對待，故實施簡便的化學法應為首選。

化學沉淀法是指用試劑與污水中的含磷化合物反應，生成化學沉淀，達到除磷的目的。化學沉淀法采用的化學試劑一般為鐵鹽（含亞鐵鹽）、鋁鹽、石灰及鋁鐵聚合物等。

①鋁鹽除磷

因各水處理系統都采用PAC作為混凝藥劑，而歷來的試驗和實際應用中PAC對磷的去除效果都非常明顯，鋁鹽除磷的反應方程式如下：

從上述反應式可看出，除磷時n（Al3+）： n（PO43-）=1∶1，如果適當調節污水pH值，實際能獲得與其理論關系一致的結果。實踐中，在不適合過濾和調節pH值的場合，需投加過量鋁，以利于除磷。

鋁鹽除磷的原理一般認為是當鋁鹽分散于水體時，一方面Al3+與PO反應，同時，Al3+先水解生成單核絡合物Al（OH）2+、Al（OH）2+及AlO2-等，單核絡合物通過碰撞進一步縮合，從而形成一系列多核絡合物（n＞1，m≤3n），這些鋁的多核絡合物往往具有較高的正電荷和比表面積，能迅速吸附水體中帶負電荷的雜質，中和膠體電荷、壓縮雙電層及降低膠體ξ電位，促進膠體和懸浮物等快速脫穩、凝聚和沉淀，表現出良好的除磷效果。鋁鹽適用pH值宜為5.0～8.0，理想pH值為5.8～6.9，最佳pH值為6.32。

圖3 不同pH和水溫下氨氮成分圖

據此，可以應用PAC作為熱電廠和東片區二次利用水除磷。

②鐵鹽除磷

鐵鹽除磷的反應方程式可表示如下：

主反應：

Fe3+＋PO43－→FePO4↓

Fe2+＋PO43－→Fe3（PO4）2↓

副反應：

Fe3++HCO3-→Fe（OH）3↓+CO2

鐵鹽除磷的化學反應如下：鐵鹽溶于水后，Fe3+一方面與磷酸根生成難溶解的鹽，同時通過溶解和吸水可發生強烈的水解反應，并同時發生各種聚合反應，生成帶有較長線性結構的多核羥基絡合物，如Fe2（OH）24+、Fe3（OH）4

5+、Fe5（OH）96+、Fe5（OH）87+、Fe5（OH）78+、Fe6（OH）126+、Fe7（OH）129+、Fe7（OH）1110+、Fe9（OH）207+和Fe12（OH）34

2+等。這些含鐵的羥基絡合物能有效降低或消除水體中膠體的ξ電位，通過吸附電中和、吸附架橋及絮體卷捕作用使膠體凝聚，再通過沉淀分離將磷去除。鐵鹽最佳使用pH值為8。

③石灰除磷

污水加石灰除磷時，主要有以下反應：

含磷廢水需投加大量石灰將pH值調節至10～11，在此濃度下，才能有效將磷沉淀，而石灰也主要用于磷的沉淀反應。

氧化鋁廢水水質pH本身就符合此堿度條件，因此在此堿度下，磷的沉淀是有效的。除磷反應和氧化鋁二次利用水硬度的去除條件應一致，即將二次利用水全部匯入改造后的平流沉淀池，集中去除。

4 氮、磷走勢對二次利用水系統的影響

氨氮和磷對水質生物穩定的影響主要體現在高含量會造成水質富營養化。根據氧化鋁生產工藝的特點，二次利用水中的氨氮與磷都分別有很好的去除途徑，氨氮依靠冷卻塔的吹脫作用以及pH的調整去除，逸出至大氣中。磷依靠各水處理流程中PAC混凝劑的作用以及氧化鋁的高堿度加藥去除。故二次利用水中氨氮和磷的含量都較低，在安全范圍內。零排放后，二次利用水全部回收利用，不外排，所以這么低的氮磷含量更不會對外部水系造成影響。

參考文獻

［1］童三明，劉永軍，楊義普，劉在堂，賈建軍.工業水處理［J］.試驗研究，2014（11）.

［2］李國峰.廢水中氨氮的去除［J］.大慶石油學院，2005.

中圖分類號：X524

文獻標識碼：A