響應(yīng)曲面法優(yōu)化吹脫法處理氨氮廢水研究

黃焱，竺葉青(湖北荊州環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)有限公司，湖北 荊州 434023)張利(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

目前，我國氨氮排放量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出受納水體的環(huán)境容量，氨氮排放量成為影響地表水環(huán)境質(zhì)量的首要指標(biāo)，水中的高濃度氮會(huì)與磷一起導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，發(fā)生赤潮等自然災(zāi)害，致使水中的魚類等動(dòng)物大量窒息死亡，水體質(zhì)量進(jìn)一步惡化，形成惡性循環(huán)。氨氮來源于生活污水和工業(yè)廢水。生活污水屬于低濃度含氮廢水，已有成熟的處理方法[1～3]，而工業(yè)廢水含氮量很高，處理相對(duì)困難。常用的高氨氮廢水處理方法有吹脫法[4]、化學(xué)沉淀法[5]以及離子交換法[6]。化學(xué)沉淀法費(fèi)用高，離子交換法處理容量小，因此高效經(jīng)濟(jì)的脫氨氮方法就顯得尤為重要。吹脫法工藝成熟，運(yùn)行穩(wěn)定并且效率高，受到環(huán)保行業(yè)的青睞。

響應(yīng)曲面法是一種能夠很好研究影響因子與響應(yīng)值之間關(guān)系的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，不僅試驗(yàn)次數(shù)少、精度高且預(yù)測性好，已成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[7～9]。下面，筆者采用響應(yīng)曲面法研究吹脫過程中溫度、初始pH值、氣液比及其交互作用對(duì)吹脫法處理廢水中氨氮去除率的影響規(guī)律，以期為實(shí)際工程操作提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)水樣取自荊州某制藥工廠，氨氮含量3000～5000mg/L。試驗(yàn)所用吹脫填料為聚乙烯塑料制成的蜂窩填料，比表面積200m2/m3，空隙率97%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由曝氣機(jī)、填料、反應(yīng)槽體等構(gòu)成。該試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，采用提升泵把調(diào)節(jié)好pH值的廢水定量的加入到吹脫裝置中，吹脫裝置采用蜂窩填料，增加水氣接觸面積。裝置底部裝有曝氣砂頭，按設(shè)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行曝氣反應(yīng)，每次試驗(yàn)吹脫 120min測定氨氮去除率。

1.3 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)

設(shè)定吹脫時(shí)間為120min，選定溫度、pH值和氣液比為影響因子，基于CCD響應(yīng)曲面法的影響因子水平及編碼見表1。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。其中以A(溫度)、B(氣液比)、C(pH值)為變量，建立了氨氮去除率Y的二次回歸方程模型如下：

Y= 74.96+8.34A+10.22B+14.59C-3.12AB-0.62AC+6.88BC

-1.62A2-11.06B2-6.39C2

表1 基于CCD響應(yīng)曲面法的影響因子水平及編碼

表2 CCD試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 回歸方程的方差分析

由表3所示的方差分析結(jié)果可知，溫度、氣液比和pH值3因子作用效果顯著，3個(gè)因子影響強(qiáng)弱順序?yàn)閜H值、氣液比、溫度，這與Bonmati通過試驗(yàn)研究吹脫法去除氨氮各因素影響順序一致[10]。可見要達(dá)到吹脫系統(tǒng)對(duì)氨氮的高效去除，3個(gè)因素都要兼顧考慮到，可以重點(diǎn)控制pH值。表3中數(shù)據(jù)P值表明，溫度、氣液比和pH值這3個(gè)因素之間存在一定的交互作用，具體的交互影響見圖2、圖3、圖4所示的等高線(代表氨氮去除率)和響應(yīng)曲面圖。

從圖2看出，氨氮的去除率隨著溫度的增加而逐漸增加，隨著氣液比的增加先增加而后逐漸減小。由圖3看出，氨氮去除率隨著溫度和pH值的增加都是逐漸增加的，因此兩者交互影響的圖像呈現(xiàn)半圓錐形。圖4的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了圖2和圖3的因素影響趨勢。

曝氣量影響著NH3的傳質(zhì)速率，過大過小都不宜NH3的解析。隨著空氣逐漸鼓吹至廢水中，一方面增加了氣液相的接觸，使氨在氣相中的分壓逐漸降低，氨的濃度差擴(kuò)大，氨的解吸推動(dòng)力變大了，導(dǎo)致水中溶解的氨不斷從液相逸出進(jìn)入氣相，使廢水中氨氮濃度隨著分壓降低而不斷降低。另一方面，氣體流量增加又會(huì)縮短處理時(shí)間，降低動(dòng)力消耗。但氣體流量過大會(huì)使投資成本增加，并且操作中容易引發(fā)液泛，增加工程費(fèi)用。

圖2 溫度和氣液比對(duì)氨氮去除率影響的等高線和響應(yīng)曲面圖

圖3 溫度和pH值對(duì)氨氮去除率影響的等高線和響應(yīng)曲面圖

圖4 氣液比和pH值對(duì)氨氮去除率影響的等高線和響應(yīng)曲面圖

隨著溫度的升高，吹脫效率也逐漸增高。這可能有2個(gè)方面的原因，一是銨根離子在水中的擴(kuò)散程度隨著溫度的升高而增大，傳質(zhì)系數(shù)的增加使生成氨氣反應(yīng)進(jìn)行的更加快速和徹底。另一方面，氨氣的平衡分壓隨溫度的升高而增大，氨氣在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，水溫的升高會(huì)導(dǎo)致氨氣的蒸發(fā)以及加速兩相之間的轉(zhuǎn)移。促進(jìn)了氨氣的進(jìn)一步生成，從而提高了氨氮的去除率[12]。

該模型預(yù)測氨氮去除率最大值為92.16%，最優(yōu)組合條件為：溫度為50.5℃、氣液比為3126、pH值為11.5。為驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果，采取上述條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得到氨氮平均去除率為90.21%。實(shí)測值與預(yù)測值的相對(duì)偏差僅為1.95%，說明該模型對(duì)吹脫法去除氨氮的預(yù)測較為準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

1)運(yùn)用響應(yīng)曲面對(duì)初始pH值、溫度和氣液比進(jìn)行模型擬合，發(fā)現(xiàn)氨氮去除率Y與溫度(A)、氣液比(B)、pH值(C)之間的關(guān)系如下：

Y= 74.96+8.34A+10.22B+14.59C-3.12AB-0.62AC+6.88BC

-1.62A2-11.06B2-6.39C2

2)響應(yīng)曲面優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)得到最佳工藝組合條件為：溫度50.5℃、pH值11.5、氣液比3126，預(yù)測氨氮去除率可達(dá)92.16%。采取上述最佳條件組合進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得到氨氮平均去除率為90.21%。實(shí)測值與預(yù)測值的相對(duì)偏差僅為1.95%，說明該模型對(duì)吹脫法中氨氮去除率的預(yù)測較為準(zhǔn)確可靠。

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