吹脱法去除采气废水中氨氮的影响因素研究

李 硕

(中石化西南油气分公司石油工程监督中心，成都 610081)

1 前 言

随着石油化工、化肥等行业的迅速发展壮大，人们对环境质量要求越来越高以及废水排放标准日益提高，由此而产生的高氨氮废水也成为行业发展制约因素之一。氨氮排放量超出受纳水体的环境容量问题，已经成为我国水生态环境保护所面临的重大问题。氨氮排放超量是地表水水体中氨氮超标的主要原因，氨氮已成为影响地表水水环境质量的主要指标之一[2]。据报道,近年来我国海域发生赤潮污染事件达数十次，其中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，经济有效的控制氨氮污染也成为当前环保工作者研究的重要课题。

气田采出水是天然气在开采过程中随天然气一同带出地面的废水，其主要为地层水。在天然气开采过程中，随着开采过程中气藏压力不断下降[7]，特别是气田开发中晚期，为保障天然气产量，需要人为加入大量起泡剂、缓蚀剂、阻垢剂等有机无机化学物质，从而导致了采气废水水质成分十分复杂，具有高含盐、高含油、高矿化度、高COD、高氨氮、高色度、高悬浮物的特点。由于其化学组分十分复杂且含有大量危害环境的有害物质，直接排放会给环境带来极大的伤害，所以必须对采气废水进行处理。采气废水处理方法主要有絮凝沉降、气浮、Fenton氧化技术、uv氧化技术、低温多效减压蒸馏技术、活性污泥法和生物膜法等组合技术[8～10]。

四川地区由于其地层构造的复杂性，导致四川地区钻井采气废水水质异常复杂、矿化度高、有机物高、可生化性差，难以采用传统的生化、氧化方式处理。通过低温多效减压蒸发处理后，能够使蒸馏冷凝水中有机物和矿化度均大幅降低满足排放要求，但由于小分子氨氮易通过水蒸气进入冷凝水中，造成经蒸发处理后的采气废水氨氮含量仍然较高(根据采气废水来源不同，其浓度范围在40～70mg/L左右)，不能满足达标排放要求。处理氨氮的方法有多种，如氧化法、催化氧化法、生化法、吸附法等。吹脱法与其他方法相比，具有处理工艺比较简单，处理效果比较稳定，不产生药渣等优点，同时吹脱出的氨可增加吸收装置吸收资源化利用[1～5]。

2 试验原理

废水中铵离子与游离氨的平衡关系主要受其pH值的影响。常温条件下，当平衡系统中pH值较高时，平衡方程主要向左移动，此时平衡系统中游离氨浓度比例增大，铵离子浓度减小。当平衡系统中pH值在7左右时，平衡系统中氨氮形态大多数以铵离子状态存在，而当平衡系统中pH在11左右时，平衡系统中主要为游离氨状态存在，其中游离氨浓度大约占90%[3]。在碱性条件下，通入大量空气与所需处理的废水充分接触、使废水中氨氮形态主要转换成游离氨的形式存在，因而被吹出以达去除废水中氨氮的目的。不同形态的氨氮其在废水中解析速率及溶解浓度与pH值、温度、曝气量等因素有关，平衡系统中气体组份在液面的分压和液体内的浓度成正相关[10-11]。

3 实 验

3.1 材料与仪器

含氨氮废水(取自四川区域的采气废水，经低温多效减压蒸发处理后水样)；Lambda25 紫外分光光度仪(美国Perkin-Elmer公司)；BSA124S-CW型电子天平(德国sartorius公司)；SX-620型pH计(上海三信公司)，DZKW-4电子恒温水浴锅(北京中兴伟业仪器有限公司)；LZB-3WB型玻璃转子流量计(常州双环热工仪表有限公司)；单孔SB108型增氧泵(松宝仪器有限公司)。

3.2 分析方法

氨氮(NH3-N)用“水质-氨氮的测定-纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)”。

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3.3 试验方法

3.3.1 吹脱法去除采气废水中氨氮影响因素设计

3.3.1.1 正交试验

本研究以四川区域采气废水经低温多效减压蒸发处理后水样进行研究，经低温多效减压蒸发处理后的采气废水氨氮浓度在40～70mg/L左右，本次实验研究用水其氨氮含量为51.6mg/L。根据反应原理，影响曝气吹脱效率的主要因素有pH值、吹脱温度、曝气量。故按照不同的pH值、不同吹脱温度、不同曝气量进行试验，并对吹脱出的氨气进行吸收处理。选择正交试验方案来安排试验，并根据相关实验结果，选择如表1所示的因素水平设计试验方案。

表1 水平因素表正交实验设计Tab.1 Orthogonal experimental design of horizontal facatrs

3.3.1.2 单因素试验。

根据正交试验得出较优的pH值、吹脱温度、曝气量反应条件，研究在较优反应条件下吹脱法去除氨氮与处理时间关系，确定能满足达标排放最适宜组合实验条件。

3.3.2 各因素对吹脱法去除氨氮的影响

根据吹脱法原理的离子浓度平衡关系式，将采气废水中随水蒸气冷凝后的氨离子转化为游离的氨吹脱出去。首先确定适合的曝气量，并结合采气废水低温多效减压蒸发处理工艺特点，制定相关因素变量对吹脱效果影响。

4 结果与讨论

4.1 曝气量

研究设定吹脱温度为55℃、pH值为11、处理时间为150min，试验用水量为1 000mL，分两组进行实验。监测分析吹脱后的氨氮含量，实验结果见表2,曝气量因素影响吹脱法去除氨氮的去除率见图1。

表2 曝气量因素影响表Tab.2 Influence of aeration rate

图1 曝气量因素影响吹脱氨氮去除率Fig.1 Influences of aeration rate on ammonia nitrogen removal by air strippping

由图1可以得出，在固定温度、pH值、吹脱时间的条件下，吹脱法去除采气废水中氨氮的去除率随着曝气量值的增加先上升后趋于稳定，且两组处理效率很接近具有一定的重复性。据此，可以推断当吹脱法曝气量满足大于等于2L/min时(即每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)，就能达到在设定条件下最佳曝气量条件。

4.2 吹脱温度

研究设定试验用水为1 000mL其氨氮含量为51.6mg/L，曝气量为2L/min(即每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)，处理时间为150min不变；将吹脱温度与pH值因素正交试验，研究吹脱温度对吹脱法去除氨氮效率的影响，监测分析结果见表3，吹脱温度因素影响吹脱去除率见图2。

表3 吹脱温度因素影响表Tab.3 Influence of temperature on air stripping (%)

图2 吹脱温度因素影响吹脱去除率图Fig.2 Influences pf temperature on ammonia nitrogen removel by air-stripping

由图2可以得出，在固定曝气量(每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)、处理时间、和pH值条件下，吹脱法去除采气废水中氨氮的去除率随着吹脱温度上升逐步增加，在25℃、40℃、55℃条件下处理效率不佳，但当温度达到70℃以上时处理效率会有较大的提升，可能跟氨氮在较高温度条件下的解析度有关[1]。据此，可以推断出采用吹脱法去除采气废水中氨氮最佳吹脱温度应当控制在70℃以上，最佳温度应控制在80℃左右。

4.3 pH值

研究设定试验用水为1 000mL其氨氮含量为51.6mg/L，曝气量为2L/min(每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)，处理时间为150min不变；将pH值与吹脱温度因素正交试验，研究pH值对吹脱法去除氨氮效率的影响，监测分析结果见表4，pH值因素影响吹脱去除率见图3。

表4 吹脱pH因素影响表Tab.4 Influences of pH value on air stripping (%)

图3 pH值因素影响吹脱去除率图Fig.3 Influences of pH on ammonia nitrogen removal by air-stripping

由图3可以得出，在固定曝气量(每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)、处理时间、和吹脱温度条件下，吹脱法去除采气废水中氨氮的去除率随着pH值上升逐步增加，当pH值达10以上时处理效率呈大幅度提高，验证了在强碱性条件下离子平衡浓度主要向左移，从而提升了处理效率[2～4]。据此，可以推断出采用吹脱法去除采气废水中氨氮的pH条件应当控制在10以上，最佳pH值应控制在11左右。

4.4 最优处理条件

本实验为了探讨吹脱法去除采气废水中氨氮的最佳实验条件，通过试验研究，并结合低温减压蒸馏工艺技术特点(蒸馏后出水温度较高，可达80℃左右)。为寻求满足达标排放要求的最优、最经济的组合条件，根据前期试验结果，本研究设定了固定曝气量为2L/min(每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)、吹脱温度为80℃条件下，单因素pH值随处理时间变化的条件试验，达标排放要求满足污水综合排放标准(GB8978-1996)中一级排放标准限值要求。监测分析结果见表5，处理效果图见图4。

由图4可以得出，在固定吹脱温度、曝气量条件下，采用吹脱法去除采气废水经蒸馏后氨氮的去除效果，满足处理达标排放要求的条件有1.pH值为10.0、吹脱120min，其浓度为14.3mg/L，氨氮去除率为72.3%；2. pH值为11.0、吹脱90min，其浓度为13.3mg/L，氨氮去除率为74.2%。当吹脱时间为150min时pH为11条件下的氨氮去除率可达92.6%，采气废水低温多效减压蒸发工艺处理后蒸馏水出水水温较高，可达80℃左右，且pH值在10～11之间。结合采气废水低温蒸发处理工艺特点，确认在pH为11、曝气量2L/min(每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)、吹脱温度为80℃条件下为满足达标排放处理的最适宜处理条件。

表5 pH值随吹脱时间处理效果表Tab.5 Effect of pH treatment with timeline

图4 pH值随处理时间处理效果图Fig.4 Effect of pH treatment with timeline

重复性分析，为验证上述试验研究所确定的最适宜处理条件，另取采气废水经低温减压蒸馏后的水样为实验用水，其氨氮浓度为64.3mg/L。取实验用水为1 000mL，固定曝气量为2L/min、pH为11、吹脱温度为80℃条件下，吹脱时间为150min，三组实验结果氨氮浓度分别为4.9mg/L、5.3mg/L、6.1mg/L；氨氮去除率分别为92.4%、91.8%、90.5%。重复实验结果表明在该吹脱条件下可以使氨氮去除率达90%左右，能有效去除采气废水经低温蒸馏处理后冷凝水中的氨氮浓度，具有可重现性，能满足处理达标排放要求。

5 结 论

5.1 在单因素实验中，通过曝气量条件试验，确定了每分钟曝气量满足曝气量2L/min(每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)时吹脱法去除采气废水中氨氮效果较好。

5.2 采用吹脱法去除采气废水经蒸馏后冷凝水中氨氮的效果，其影响因素跟温度升高、pH值增加、处理时间延长因素成正相关，温度、pH值、处理时间呈协同关系。

5.3 通过一系列正交试验，确定了采用吹脱法去除采气废水蒸馏后冷凝水中氨氮去除效果，结合采气废水低温多效减压蒸发处理工艺特性，最适宜条件应控制在pH为11、吹脱温度为80℃、曝气量2L/min(每1 000mL废水中通入空气流量2L/min)，并根据处理氨氮浓度的高低适当延长处理时间，经吹脱法处理后可以满足污水综合排放标准(GB8978-1996)中一级排放标准限值要求。