酸性刻蚀液的高浓度氨氮废水处理

吴卫林，吴东亮，余 端，项艳，胡长江

（安徽浩悦环境科技有限责任公司，安徽合肥231145）

2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》将半导体产业新技术研发提升至国家战略高度，但在集成电路的生产中有酸性刻蚀液排出。酸性刻蚀液成份复杂，经脱盐处理后水中氨氮含量仍很高，无法直接进入生化系统中进行深度处理[1]。氨氮在水体中以游离氨或铵盐的形式存在，容易氧化成亚硝酸盐，亚硝酸盐对生物体有剧毒作用[2]。所以，实现酸性刻蚀液的规范处置，关键之一就是有效处理高浓度氨氮废水。

常见废水中氨氮的处理方式有生物脱氮法、吹脱及汽提法、折点加氯法、离子交换法、化学沉淀法、催化湿式氧化法、电渗析法、液膜法、电化学法等[3]，但具体到集成电路产业产生的废水，拟采用氨吹脱技术处理。本文研究了吹脱温度、气液比、pH值、水力停留时间等对废水处理的影响，找出最优参数，实现了高浓度氨氮废水的有效处置。

1 实验部分

1.1 材料与设备

实验材料：安徽某集成电路企业的酸性刻蚀液处置后产生的高氨氮废水，废水的理化性质为TDS=70 000~80 000 mg/L；N-NH3=300~400 mg/L；pH=9~10。

实验设备：PHS-3CpH计（上海精密科学仪器有限公司）；TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）。

1.2 实验装置

氨氮吹脱实验装置示意图见图1。

取计量的酸性刻蚀液，加入片碱中和、过滤后产生高氨氮废水（以下简称“废水”）。取废水放入烧杯中，开启曝气泵进行曝气，曝气后测试废水中的氨氮含量。

2 结果与讨论

图1 氨氮吹脱实验装置示意图

2.1 pH值对氨氮去除率的影响

取300 mL废水置于1 L烧杯中，分别调节pH至9、10、11、12、13，开启曝气泵，控制气量为 1.5 L/min，气液比600∶1，吹脱2 h，测试处置后废水中的氨氮含量。

表1 pH值对氨氮去除率的影响

从表1可以看出，随着废水pH升高，废水中的氨氮去除率上升。pH超过11后，继续升高虽能提升氨氮去除率，但提升效率降低。这是由于NH4++OH-=[NH3H2O][4]，所以，随着pH升高，游离氨的数量增加。由于废水中的氨氮值一定，pH升高到11后，提高pH，游离氨数量增加不再是同比例增长。结合氨氮吹脱运行的成本考虑，此废水吹脱过程中的pH选择12。

2.2 温度对氨氮去除率的影响

在1 L烧杯中加入300 mL废水（pH=12），按图1连接装置，分别加热到 10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，开启曝气泵，调节气体流量为2 L/min（气液比1 400 m3/m3），通气210 min，测试处置后废水中的氨氮含量。

表2 温度对氨氮去除率的影响

从表2可以看出，随着温度升高，废水中的氨氮去除率提升，但在30℃后，氨氮去除率提升变缓。查询氨气在水中的溶解度发现，其随着温度上升而下降[5]，在气相中氨气分压上升，这样就有利于氨氮从水中被吹脱出来。但是从氨氮水中溶解度曲线可以看出，水温超过30℃后，溶解度下降的幅度降低，这与实验数据基本一致。

2.3 不同气液比对氨氮去除率的影响

在1 L烧杯中加入300 mL废水（pH=12），按图1连接装置，温度34℃，气液比分别为140∶1，280∶1，600∶1，960∶1，1 200∶1，通气 210 min，测试处置后废水中的氨氮含量。

从表3可以看出，随着气液比增加，废水中氨氮吹脱效率上升。气液比960∶1时，氨氮吹脱率94.7%。根据亨利定律，在相同条件下，气相中氨气分压是相同的，提升废水吹脱时的气液比即是提升通过水中的气体量，这种气体中氨气分压相同，这样气液比越高，吹脱效率越高。但是根据亨利定律，随着气液比增加到一定比例，废水中氨气吹脱效率增长变小。

表3 不同气液比对氨氮去除率的影响

2.4 不同停留时间对氨氮去除率的影响

在1 L烧杯中加入300 mL废水（pH=12），按图1连接装置，温度34℃，曝气气体流量为1.8 L/min，水力停留时间分别为 60 min、120 min、180 min、240min、300 min，测试处置后废水中的氨氮含量。

表4 不同停留时间对氨氮去除率的影响

通过吹脱法去除废水中的氨氮，氨氮在气相和液相中的平衡十分重要。氨氮分子在气相和液相中平衡需要一定时间，孙华等[6]根据亨利定律推导出吹脱效率和吹脱时间的关系，得出结论：水力停留时间越长，效率越高。表4表明，该废水一定条件下水力停留时间达到120 min以上，即可得到较好的氨氮去除率。

2.5 优化条件下氨氮的去除率

根据实验数据，结合处理成本，拟以pH=12，温度30℃，气液比960∶1，水力停留时间120 min条件下进行废水氨氮吹脱实验，结果见表5。

在此条件下氨氮被去除，经脱盐处理后再生化处理，最终达标排放，实现了酸性刻蚀液废液的最终处置。

表5 优化条件下氨氮的去除率

3 结论

本研究得出某集成电路企业产生的高浓度氨氮废水的吹脱最佳条件，废水中氨氮含量降至21.20 mg/L，氨氮去除率达到94.6%，为后续处理提供了便利条件。