解氨剂-超重力法处理高浓度氨氮废水中试研究

鲁秀国，罗　军，2，赖祖明

（1.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013；2.江西现代职业技术学院，江西南昌330099；3.江西耐可化工设备填料有限公司，江西萍乡337005）

解氨剂-超重力法处理高浓度氨氮废水中试研究

鲁秀国1，罗军1，2，赖祖明3

（1.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013；2.江西现代职业技术学院，江西南昌330099；3.江西耐可化工设备填料有限公司，江西萍乡337005）

介绍了超重力技术的基本原理，采用解氨剂协同超重力法处理高浓度氨氮废水并进行中试研究，重点考察了超重力因子、多级处理次数、进水氨氮初始浓度、解氨剂投加量等因素对脱氮效率的影响，得出在pH为11、温度40℃、气液比1 200、超重力因子460、解氨剂投加量为70 mg/L的实验条件下，单级处理脱氮率达到90.6%。相较于传统吹脱法，解氨剂-超重力法具有脱氮效率高、运行成本低、操作简单的特点，具有广阔的工业化应用前景。

超重力技术；复合解氨剂；氨氮废水

按有关浓度划分原则，NH3-N质量浓度在500 mg/L以上〔1〕的生活污水和工业废水属于高浓度氨氮废水，其来源广、排放量大、处理成本高，成为较难处理的一种废水。目前高浓度氨氮废水的处理主要采用物化法和新型生物脱氮法。其中，物化法通常用于高浓度氨氮废水的预处理，主要包括吹脱法、化学沉淀法、湿式催化氧化法等。新型生物法则包括好氧反硝化、厌氧氨氧化、短程硝化反硝化、同时硝化反硝化等〔2-4〕。吹脱法由于工艺简单、操作简便、处理效果稳定而成为应用最广且成熟、有效的技术〔5〕。基于吹脱法原理的超重力技术作为一种新型的强化传质过程的技术〔6〕，已广泛用于多个领域〔7〕。采用超重力技术处理高浓度氨氮废水的实验研究不多，重点考察pH、温度、气液比等参数。笔者在前人基础上进一步研究废水初始浓度、多级处理次数、超重力因子等参数对脱氮效率的影响，探索最佳的工艺条件，以期为工程应用和示范工程的推广提供参考数据。此外，实验引入了一种解氨剂能进一步提高脱氮率，证明了解氨剂协同超重力法处理高浓度氨氮废水具有高效、操作简单、经济的特点。

1　超重力技术的工作原理

超重力的工作原理是利用高速旋转产生的离心力使物质受到比重力大得多的力。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多，巨大的剪切力使气液相产生巨大和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统的塔器中提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大的强化。

2　实验部分

2.1实验用水

实验废水来自南康市汇丰矿业有限公司生产钨酸铵过程产生的废水，氨氮质量浓度在10 000 mg/L左右，实际质量浓度以实测值为准。

2.2主要仪器与药剂

实验所用仪器与药剂如表1所示。

表1　实验仪器与药剂

解氨剂由江西耐可化工设备填料有限公司提供。该解氨剂以羧甲基纤维素钠盐、脂肪醇聚氧乙烯醚为主要成分，并加入一定氟、磷等元素复配而成，含有大量O、H、—OH、—NH2、亚甲基和亲水、憎水活性基团，能显著降低水的表面张力，破坏水分子与NH3分子间的结合力，促使NH3分子从水中脱离。同时氟的加入使该解氨剂表现出很高的耐热稳定性和化学稳定性，增强了对环境的适应能力。

2.3实验装置与工艺流程

实验使用1台超重机，结构如图1所示，主要由外部圆形的壳体和内部转子构成。转子由不锈钢钢丝填料组成，并通过转轴与调频电机相连，填料层高度为400 mm，转子外径800 mm，内径600 mm。废水的氨氮经稀释后由氨氮测定仪测定。

图1　超重机结构

实验工艺流程如图2所示。

图2　实验流程

外界进水首先进入均质桶调节pH、温度并投加解氨剂，在泵的输送下经液体流量计计量后通过进水口进入超重机。之后由进水管引入转子内腔，在喷头的作用下均匀喷洒到填料内侧。转子高速旋转产生的离心力使液体被多孔的填料层分散、破碎成尺寸更小的液滴、液丝和液膜，形成巨大而又快速更新的相界面。同时，来自鼓风机的空气经气体流量计计量后由进气管沿切向进入填料层，实现气液逆流接触，完成反应和传质过程。反应后废水中的氨被吹脱出来，经出气口排入吸收液桶，液体则经超重机外壳收集后排到储水桶，进入下一工序的处理。

3　实验结果与讨论

3.1超重力因子对脱氮效果的影响

结合前人的研究结果〔8〕，控制实验主要操作条件为pH=11、温度40℃、气液比1 200，对废水进行单级处理（废水的氨氮为10 990 mg/L），考察超重力因子对脱氮率的影响，结果见图3。

图3　超重力因子对脱氮效率的影响

由图3可以看出，随着超重力因子的增大，氨氮去除率也随之增大。超重力因子（β）是用来衡量超重力场强弱的一个无因次量，即旋转填料层平均离心加速度与常重力加速度之比，其积分化简式见式（1）〔9〕。

式中：r1——内半径，mm；

r2——外半径，mm；

w——角速度，rad/s；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

增大超重力因子会产生巨大的剪切力，远远超过分子间的表面张力，使液体的湍流程度加剧，液膜表面的流速增大，游离氨的扩散速率增加，从液相内层到达表面的时间缩短。此外，巨大的剪切力使液膜变薄、表面更新时间缩短、有效比表面积增加，造成气液相间的接触面积增大，从而极大地强化了气液相间的反应和传质过程，因此，氨氮去除率相应增加。但从图3可以发现脱氮率曲线随着超重力因子的增加逐渐趋于平缓，过大的超重力因子导致能耗增加和液体停留时间缩短，不符合处理成本经济的原则。所以实验的超重力因子选取460比较合适。

3.2多级处理对脱氮效率的影响

在pH=11、温度40℃、气液比1 200、超重力因子460的实验条件下，对废水进行多级处理（废水中的氨氮为9 850 mg/L），考察处理次数对脱氮率的影响。实验结果表明：增加处理次数有助于提高氨氮去除率。废水经过5级处理后，氨氮质量浓度由9 850 mg/L降至177 mg/L，去除率达到98.2%。继续增加处理次数，氨氮去除率变化不大，这主要是由于气-液相平衡的限制〔9〕。处理次数的选择应综合考虑经济成本、处理目标、工艺流程等因素，如二级处理后氨氮降到1 000 mg/L左右，此时可以采用生化法等进行深度处理，以达到排放目标。

3.3氨氮初始质量浓度对脱氮效率的影响

在pH=11、温度40℃、气液比1 200的实验条件下，控制进水氨氮，考察废水氨氮初始质量浓度对脱氮效率的影响，结果见图4。

由图4可以发现，进水氨氮质量浓度对脱氮效率的影响并不大，尤其是当超重力因子在750时基本没有影响。超重力因子为460、氨氮在500～10 000 mg/L时，脱氮率的差值在1%～6%。因此采用超重力法处理氨氮废水，初始质量浓度对脱氮率的影响有限，超重力法适用的氨氮浓度范围大。

图4　进水氨氮对脱氮效率的影响

3.4解氨剂投加量对脱氮效率的影响

解氨剂在超重力法处理氨氮废水过程中具有协同作用，能进一步提高氨氮去除率。实验加入不同质量的解氨剂，在相同质量浓度氨氮废水的基础上进行处理，分别测定脱氮率，实验条件为：pH=11、温度40℃、气液比1 200、超重力因子460、废水氨氮浓度为9 880 mg/L，结果见图5。

图5　解氨剂投加量对脱氮效率的影响

由图5可知，解氨剂的投加量从0增加到70 mg/L时，脱氮率随着投加量的增加而提高，并在70 mg/L时达到最高，脱氮率为90.6%。由此证明解氨剂协同超重力法处理高浓度氨氮废水能提高脱氮率。这是因为解氨剂能改变液体的界面性能，促进液体表面更新，增加气液接触面积，提高传质速率。进一步增加解氨剂的投加量，氨氮去除率没有升高，反而有所下降。这主要是因为解氨剂的投加量过高时会达到胶束浓度〔10〕，在液面形成一层很厚的泡沫层，过多的泡沫会增大液膜阻力，从而阻碍气液传质过程，进而使氨氮去除率下降。因此，实验选择解氨剂投加量在70 mg/L为最佳投加量。

4　结论

（1）采用有机复配解氨剂与超重力法结合处理高浓度氨氮废水是切实可行的，具有脱氮效率高、经济成本低、便于操作等特点。

（2）在pH=11、温度40℃、气液比1 200、超重力因子460、解氨剂投加量70 mg/L的实验条件下，解氨剂协同超重力法可将氨氮质量浓度为9 880 mg/L的废水降到928 mg/L，脱氮率达到90.6%，为后续的深度处理提供了条件。

（3）单因素实验结果表明，增大超重力因子和提高多级处理次数能提高氨氮的去除率，废水氨氮初始浓度对脱氮率的影响不大。

（4）解氨剂协同超重力法为高浓度氨氮废水的处理提供了一种新途径，具有广阔的工业化应用前景。

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［作者简介］张焕杰（1991—），硕士研究生。电话：15021150273，E-mail：963484028@qq.com。通讯作者：林燕，博士，副教授。E-mail：linyan2002@sjtu.edu.cn。

［收稿日期］2016-07-07（修改稿）

Pilot study on the treatment of high-concentration ammonia nitrogen wastewater by denitrification agent-super gravity technology

Lu Xiuguo1，Luo Jun1，2，Lai Zuming3
（1.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Jiangxi Modern Polytechnic College，Nanchang 330099，China；3.Jiangxi Naike Chemical Engineering and Packing Co.，Pingxiang 337005，China）

The basic principle of super gravity method and pilot research on using denitrification agent cooperated with super gravity method for treating ammonia nitrogen wastewater having high concentration are introduced.The influences of the factors，such as super gravity factor，multilevel processing times，initial concentration of influent anmmonia nitrogen，dosage of denitrification agent，etc.are investigated emphatically.The experimental conditions are obtained as follows：pH is 11，temperature 40℃，gas liquid ratio 1 200，super gravity factor 460，and denitrification agent dosage 70 mg/L.Under these conditions，the single-level processing denitrification rate reaches 90.6%. Compared with traditional stripping method，it is characterized by high denitrification efficiency，low operation cost，and simple operation，having a broad application prospect of industrialization.

super gravity technology；compound denitrification agent；ammonia nitrogen wastewater

X703

A

1005-829X（2016）08-0024-04

国家科技支撑计划资助项目（2014BAC04B03）

鲁秀国（1964—），教授，博士。E-mail：149862562@qq. com。通讯作者：罗军，硕士研究生，E-mail：1156073121@ qq.com。

2016-07-06（修改稿）