膜吸收法去除廢水氨氮技術(shù)

氨氮是水體中重要的好氧污染物之一，直接排入水體將會(huì)對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。我國(guó)在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2000)中規(guī)定氨氮的標(biāo)準(zhǔn)限制范圍為0.02~150mg/L。常見傳統(tǒng)處理氨氮的工藝有生物脫氮法、離子交換法、化學(xué)沉淀法、催化濕式氧化法等，但這些方法不僅去除效果低而且會(huì)帶來(lái)二次污染的問(wèn)題。為了減少處理過(guò)程中氨氮對(duì)環(huán)境的二次污染問(wèn)題，膜方法逐漸成為主流研究的趨勢(shì)。常見的膜技術(shù)有真空膜脫氨、膜蒸餾脫氨、膜吸收脫氨、膜生物反應(yīng)器脫氨等。本文主要以脫氨膜集成裝置為基礎(chǔ)，采用新型的脫氨膜工藝，研究其對(duì)滲濾液中氨氮的去除效率，意在尋求一種新的去除滲濾液中氨氮的工藝。

1、實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)所用脫氨系統(tǒng)進(jìn)水為氯化銨與超濾清液配置的不同濃度梯度的高氨氮廢水，COD值為1100mg/L，初始pH為6.5，硬度為558.56mg/L(以碳酸鈣計(jì))。實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的指標(biāo)及測(cè)定方法如表1所示。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)為含氨廢水適宜pH為11.5，進(jìn)膜溫度不得高于45℃，進(jìn)水表面張力大于60mN/m，出水壓力表達(dá)0.1Mpa，酸路進(jìn)水壓力小于0.1Mpa，運(yùn)行時(shí)為0.09Mpa，當(dāng)氨氮濃度為300~500mg/L時(shí)，酸路的pH為2，當(dāng)氨氮濃度超過(guò)1000mg/L后，適宜的酸路pH值為1.0，集成設(shè)備處理量為2000L/h。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 膜吸收法去除氨氮工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 進(jìn)水pH對(duì)氨氮去除效果的影響

脫氨集成裝置的設(shè)計(jì)流量為2m3/h，進(jìn)水端壓力為0.120Mpa，出水端壓力為0.102Mpa，酸路壓力表為0.090Mpa，酸路pH值為0.12，氨氮初始濃度為3800~4100mg/L，實(shí)驗(yàn)溫度分別為22~27℃之間，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH為11.55、11.94和12.94，取反應(yīng)液測(cè)定廢水中氨氮的去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。

由圖1(a)可看出，進(jìn)水pH較低時(shí)，由于氨氮未能完全變?yōu)橛坞x態(tài)NH3，需要通過(guò)濃度差傳質(zhì)動(dòng)力來(lái)推動(dòng)脫氨整個(gè)過(guò)程。隨著含氨廢水pH的增大，單支膜的去除率明顯提升，但含氨廢水的pH值不得超過(guò)11.5，若長(zhǎng)期脫氨廢水超過(guò)11.5，將會(huì)損傷脫氨膜的空間結(jié)構(gòu)，縮短脫氨膜的使用壽命。隨著含氨廢水經(jīng)過(guò)六支脫氨膜的脫氨處理過(guò)程后，pH為11.55、氨氮含量為4100mg/L時(shí)，經(jīng)過(guò)六級(jí)脫氨之后，出水氨氮的含量為967mg/L，整體去除率達(dá)到了76.41%。當(dāng)pH為12.94時(shí)，經(jīng)六級(jí)脫氨之后出水氨氮為362mg/L，氨氮脫除率達(dá)到了90.22%。從圖1(b)看出，隨著pH的上升，單支膜對(duì)氨氮的去除率有明顯的提高。本實(shí)驗(yàn)采用pH值為11.5~12.0進(jìn)行后續(xù)脫氨實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 氨氮初始濃度對(duì)氨氮去除效果的影響

調(diào)節(jié)氨氮的初始濃度分別為1160mg/L、1750mg/L、2500mg/L、4100mg/L、6130mg/L，原水濾前壓力0.218MPa，原水濾后壓力0.204MPa，進(jìn)水端壓力0.120MPa，進(jìn)水端流量2000m3/h，出水端壓力0.107MPa，進(jìn)酸壓力0.090MPa，pH為12，溫度16.4℃，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.3m3/h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，濃度較低時(shí)，六支脫氨膜對(duì)于氨氮的去除率相比于高濃度廢水的氨氮脫除率會(huì)高一些，出現(xiàn)的基本特征就是隨著廢水側(cè)氨氮的濃度升高，去除率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這個(gè)原因主要?dú)w結(jié)于氨在水中的締合作用。這種多個(gè)分子組合成的締合水分子中的水分于排列得比較松散，分子的間距比較大。由于氫鍵具有一定的方向性，因此在單個(gè)水分子組合為締合水分子后，水的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。一是締合水分子中的各單個(gè)分子排列有序，二是各分子間的距離變大。所以導(dǎo)致氨氮的去除率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

從圖3可以看出，氨氮初始濃度越低，氨氮的累積去除率也越低，一個(gè)原因主要是分母基數(shù)大原因，另一個(gè)原因是上面提到的締合作用。

在本組實(shí)驗(yàn)中，含氨廢水經(jīng)過(guò)六支脫氨的處理之后，pH從11.49降低至10.1~10.5之間。由于溫度較低，所以5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的氨氮脫除率均比較低。

2.1.3 溫度對(duì)氨氮去除效果的影響

調(diào)節(jié)溫度為19℃、28℃、32.6℃、37℃、40.1℃和44.5℃，進(jìn)水端壓力0.120MPa，進(jìn)水端流量2000L/h，出水端壓力0.108MPa，進(jìn)酸壓力0.088MPa，進(jìn)酸pH為0.12，氨氮初始濃度在3500~4100mg/L之間，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.9m3/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4可知膜吸收法處理?yè)]發(fā)性污染物氨氮時(shí)，溫度對(duì)傳質(zhì)速度的影響是顯著的，隨原料液一側(cè)溫度由19℃增加至45℃，單支膜氨氮的去除率從25%提高至59%。由于溫度上升，揮發(fā)性物質(zhì)氨的蒸氣分壓明顯增加，提高了傳質(zhì)推動(dòng)力，氨氮總體去除率則從82.5%提高到了99%，其中含氨廢水的pH從初始的11.8降低至10.5。從圖5可看出，當(dāng)堿含量足夠時(shí)，升高溫度可使累計(jì)脫氨效率從80%提升至99.2%?？紤]到滲濾液氨氮含量為3000mg/L左右，所以在40.1℃以及44.5℃兩個(gè)點(diǎn)做初始濃度為3000~3500mg/L范圍內(nèi)的脫氨實(shí)驗(yàn)，在40.1℃和44.5℃時(shí)經(jīng)過(guò)脫氨膜的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)以及單支膜的去除率分別見表2和表3所示。

2.2 最佳實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)性

為了考察脫氨膜脫除氨氮效果的穩(wěn)定性，在以下的操作參數(shù)下進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)該條件下脫氨的穩(wěn)定性。含氨廢水三次重復(fù)脫氨實(shí)驗(yàn)的單支膜進(jìn)出水水質(zhì)以及各單支膜的氨氮去除效率見表4、表5以及表6所示。

從表3、表4和表5可看出，在最優(yōu)的試驗(yàn)條件下，初始濃度為4100mg/L的含氨廢水經(jīng)六級(jí)脫氨膜處理后，氨氮含量可降至50~70mg/L，整體去除率達(dá)到98.49%，單支膜的均去除率維持在50%左右。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出結(jié)論為：在溫度為44℃左右、氨氮廢水的pH為11.6、初始濃度在3200~4000mg/L時(shí)，含氨廢水的氨氮可降至70mg/L以內(nèi)，當(dāng)初始濃度為3200mg/L時(shí)，可去除至32mg/L。

2.3 控制藥劑成本后氨氮的脫除效率

本著考慮該工藝在工程實(shí)踐中的實(shí)用性，考慮到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)在生化階段每方新鮮滲濾液投加液堿的量為11.25L，本實(shí)驗(yàn)考慮將藥劑成本控制在30元/t考察膜法吸收脫氨對(duì)氨氮的去除情況。本部分共設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是溫度在25℃情況下運(yùn)行，另一個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度44.3℃。結(jié)果如下：

實(shí)驗(yàn)一反應(yīng)溫度44.3℃，操作運(yùn)行參數(shù)：原水濾前壓力0.221MPa，原水濾后壓力0.164MPa，進(jìn)水端壓力0.108MPa，進(jìn)水端流量2000L/h，出水端壓力0.102MPa，進(jìn)酸壓力0.088MPa，進(jìn)酸pH為1.0，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.8m3/h；溫度44.3℃。

藥劑消耗程度如下：堿液投加6L，初始濃度氨氮為3200mg/L。堿耗成本為13.17元/t，酸耗13.26元/t，清洗成本0.2元/t；藥劑共計(jì)26.43元/t。

本段成本共計(jì)26.43+72.91=99.34元/t。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

從上表7可看出隨著pH降低至8.26，氨氮的脫除效率很低，且pH與氨氮的變化趨勢(shì)相同，部分氨氮透過(guò)脫氨膜到達(dá)酸側(cè)，消耗了堿，pH降低，在經(jīng)過(guò)六支膜的脫除之后，總的去除率為25.08%。

實(shí)驗(yàn)二的反應(yīng)溫度為25℃。操作運(yùn)行參數(shù)：原水濾前壓力0.221MPa，原水濾后壓力0.164MPa，進(jìn)水端壓力0.108MPa，進(jìn)水端流量2000L/h，出水端壓力0.102MPa，進(jìn)酸壓力0.088MPa，進(jìn)酸pH為1.0，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.8m3/h；溫度25℃。

藥劑消耗程度：堿液投加6L，初始濃度氨氮為3200mg/L。堿耗成本為13.17元/t，酸耗10.21元/t，清洗成本0.2元/t；藥劑共計(jì)32.97元/t。(均為工程采購(gòu)價(jià))

成本共計(jì)13.17+10.21=23.38元/t。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

從上表8可知，在堿耗和溫度降低的情況下，氨氮的去除率很低，pH在8.8左右時(shí)，單支膜去除率為3%左右，經(jīng)六支膜去除之后，累計(jì)氨氮的脫除效率僅有13%左右。

2.4 銨鹽儲(chǔ)罐與酸循環(huán)的濃度

硫酸銨的濃度為184.66g/L(18%)，銨鹽儲(chǔ)罐中硫酸銨的濃度難繼續(xù)提高，原因在于想達(dá)到較好的脫氨效果，必須保持酸路pH值在1.0~1.4之間，而酸路的液體主要是從硫酸循環(huán)罐中流出，外加補(bǔ)充的新酸降低酸循環(huán)罐中的pH，所以硫酸循環(huán)罐將會(huì)隨著脫氨時(shí)間的進(jìn)行達(dá)到它的容積負(fù)荷，此時(shí)需要抽出硫酸循環(huán)罐中的一部分的混合液體至銨鹽儲(chǔ)罐，此時(shí)的銨鹽儲(chǔ)罐中的pH將會(huì)是1.7左右。為保證酸路pH，銨鹽需要及時(shí)抽出。酸循環(huán)罐中銨鹽的濃度為92.16g/L。

3、結(jié)論

(1)當(dāng)溫度達(dá)到40~45℃，pH調(diào)至11.5之后，單支膜的氨氮均去除率在55%左右，4000mg/L的氨氮可去除至70mg/L以下。當(dāng)氨氮初始濃度為3200mg/L時(shí)，可去除至30mg/L。

(2)從核算的成本來(lái)看，氨氮初始濃度為4000mg/L的廢水噸水處理成本為171.89元/t，其中電耗占43.72%，液堿占44.4%。

(3)將藥劑成本壓縮至33元/t之后，在45℃左右的情況下，脫氨成本為105.88元/t，其中，藥劑消耗32.97元，電耗72.91元。可將氨氮濃度3270mg/L脫至2450mg/L。整體去除率為25.08%。如果將藥劑成本壓縮至33元/t，在25℃的狀態(tài)下脫氨，可從3310mg/L脫至2880mg/L。（來(lái)源：維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，鞍山市達(dá)道灣污水處理有限責(zé)任公司）