高濃度氨氮廢水處理技術(shù)

　　了解超聲吹脫原理后，發(fā)現(xiàn)其突破點(diǎn)是需要強(qiáng)化它的作用功能，若是想要強(qiáng)化超聲吹脫法的氣液兩相傳質(zhì)，主要有兩個(gè)途徑：一是通過(guò)改良處理設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)，以改善氣液的兩相流動(dòng)和接觸面積;二是通過(guò)再次增加不同頻率的外場(chǎng)能量與加強(qiáng)與體系內(nèi)各污染物的相互作用，將污染物的揮發(fā)度提高。新思路是向反應(yīng)溶液中加入藥劑，促進(jìn)超聲吹脫解析反應(yīng)的某個(gè)去除環(huán)節(jié)。雷春生等自制了復(fù)合脫氮?jiǎng)?，并申?qǐng)了相關(guān)專利，其處理效果表明，在添加發(fā)明藥劑的條件下利用相關(guān)工藝處理可使廢水中的氨氮降至0.2mg/L。通過(guò)這一思路可自主配制藥劑，節(jié)約成本，強(qiáng)化處理效果。

　　本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是模擬氨氮廢水，通過(guò)復(fù)配實(shí)驗(yàn)獲得一系列具有協(xié)同增效作用的表面活性劑復(fù)配物，篩選出具有較好增效作用的復(fù)配物以及最優(yōu)的復(fù)配比，獲得不同情況下表面活性劑復(fù)配物的最優(yōu)組合，然后改變氨氮廢水濃度，以最優(yōu)組合所得復(fù)配物為促脫劑，對(duì)比氨氮吹脫處理效果。

　　一、實(shí)驗(yàn)方案

　　實(shí)驗(yàn)主要設(shè)計(jì)三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)計(jì)劃對(duì)策，擬選取的三個(gè)因素分別為表面活性劑種類、酯的種類、生成合適促脫劑的復(fù)配比。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析數(shù)據(jù)，對(duì)各重要因素進(jìn)行方差和極差分析，得出影響促脫劑作用效能的各重要因素的主次順序和合適的組合，并對(duì)其成因進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析推測(cè)。

　　實(shí)驗(yàn)I：三種陽(yáng)離子表面活性劑與三種酯類物質(zhì)的復(fù)配

　　查閱資料發(fā)現(xiàn)，單因素實(shí)驗(yàn)得到的氨氮去除的最適條件為最佳pH為12.0和最佳溫度為50℃，在此條件下，分別取三種增效作用較好的陽(yáng)離子表面活性劑(TTAB、CTAB、STAB))在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下復(fù)配三種酯類(乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯)，作為脫氮?jiǎng)┏曁幚?，處理濃度約為1000mg/L的高濃度模擬氨氮廢水，采用三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)II：三種陰離子表面活性劑三種酯類物質(zhì)的復(fù)配

　　在pH為12.0和溫度為50℃的條件下，分別取三種增效作用較好的陰離子表面活性劑(STBS、SHBS、AOS)在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下復(fù)配三種酯(乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯)，作為脫氮?jiǎng)┏曁幚頋舛燃s為1000mg/L的高濃度模擬氨氮廢水，使用三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)方案。

　　實(shí)驗(yàn)III：陰陽(yáng)離子表面活性劑之間的復(fù)配搭配

　　在pH為12.0和溫度為50℃的條件下，分別取三種增效作用較好的陽(yáng)離子表面活性劑(TTAB、CTAB、STAB)在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下與三種陰離子表面活性劑(STBS、SHBS、AOS)復(fù)配，作為脫氮?jiǎng)┏曁幚頋舛燃s為1000mg/L的高濃度模擬氨氮廢水，采用三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1陽(yáng)離子表面活性劑的復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　因單純篩選需要放大其功能效果，表面活性劑用量較大，在復(fù)配實(shí)驗(yàn)中則是利用主材料為低濃度的表面活性劑為主，再以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)配比復(fù)配一定體積的酯類，將模擬氨氮廢水與復(fù)配好的促脫劑放置反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，記錄吸光度后計(jì)算出的剩余氨氮濃度和氨氮去除率。

　　(1)陽(yáng)離子表面活性劑與不同復(fù)配物復(fù)配超聲吹脫去除氨氮的分析，如表1。

　　正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)復(fù)配陰離子表面活性劑與酯類，進(jìn)一步提高超聲吹脫的性能。由表1可知，與陰離子表面活性劑和酯類的效果有所差別，陽(yáng)離子復(fù)配陰離子表面活性劑氨氮的去除效率最低為45.78%，陽(yáng)離子表面活性劑復(fù)配酯類氨氮的去除效率最小值為51.53%，說(shuō)明復(fù)配酯類氨氮的去除效率的最小值更高。陽(yáng)離子復(fù)配陰離子表面活性劑氨氮的最高去除率為60.07%，陽(yáng)離子表面活性劑復(fù)配酯類氨氮的最高去除率為74.48%，也是與酯類復(fù)配的去除率更高。通過(guò)將兩種復(fù)配組合對(duì)氨氮的去除效率進(jìn)行方差分析，由F>F臨界(0.01)知，兩組數(shù)據(jù)存在顯著性差異，從而更加說(shuō)明了陽(yáng)離子表面活性劑與酯類搭配對(duì)比陰離子表面活性劑搭配作為促脫劑對(duì)去除廢水中氨氮的增能、增效作用更凸顯。

　　(2)陽(yáng)離子表面活性劑與酯類復(fù)配分析，如表2。

　　從表2中的數(shù)據(jù)可比較出，陽(yáng)離子表面活性劑與酯類復(fù)配后強(qiáng)化了超聲吹脫的作用性能，廢水中氨氮的去除效率均在50%以上，最低的去除率為51.53%，最大去除率為74.48%，其平均對(duì)于氨氮的去除率可達(dá)到62.32%，而復(fù)配前氨氮去除率一般都在60%以下，只有AOS與STAB處理可達(dá)到60%的去除效率?？梢?jiàn)酯類的添加活化了表面活性劑的性能，提高了表面活性劑的功能性，讓超聲吹脫的增能增效作用更加明顯，與相關(guān)的理論相符，即復(fù)配物的一些性能比其本身更為優(yōu)越，如酯類可活化表面活性劑，促使表面活性劑具有更容易降低廢水表面張力的能力。

　　(3)各因素對(duì)促脫劑影響的主次順序分析，如表3。

　　根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析表3，影響促脫劑活性的三個(gè)主要因素為：表面活性劑種類、酯類和復(fù)配比。分析數(shù)據(jù)并對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)氨氮去除率影響的主次順序?yàn)椋罕砻婊钚詣┑姆N類>復(fù)配比>復(fù)配物酯類。其中表面活性劑的三個(gè)水平(TTAB/CTAB/STAB)中的優(yōu)水平為A3，即STAB。由此看出，實(shí)驗(yàn)所選三種表面活性劑中STAB對(duì)超聲吹脫去除氨氮加強(qiáng)能力的拔高。

　　復(fù)配物酯類的三個(gè)水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中的優(yōu)水平為B2，即乙酸丁酯;復(fù)配比的三個(gè)水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為C3，即3∶2，從而可得最優(yōu)組合為A3B2C3，即乙酸丁酯與STAB的質(zhì)量比為3∶2的時(shí)候搭配混合作為脫氮?jiǎng)楸菊粚?shí)驗(yàn)中最優(yōu)良的促脫劑。

　　以實(shí)驗(yàn)規(guī)劃的三因素水平為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)-氨氮去除率的平均值為縱坐標(biāo)繪制圖1，由圖1可看出，對(duì)于欲合成的促脫劑的三個(gè)水平而言，氨氮的去除率隨著碳數(shù)的增多而逐漸提高。

　　復(fù)配物酯類的三個(gè)水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中乙酸丁酯對(duì)表面活性劑超聲吹脫去除氨氮的增效增能作用最為顯著，其次是乙酸乙酯和甲酸乙酯;復(fù)配比的三個(gè)水平分別是1∶1，3∶4，3∶2，其中好的作用效果水平是為3∶2，其次是3∶4，最后則是1∶1，可得出復(fù)配物與表面活性劑的比例大于1搭配關(guān)系作為促脫劑處理氨氮的增效作用更為明顯。

　　2.2陰離子表面活性劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　向反應(yīng)器中按照25mg/L的濃度分別投加三種資料中在單因素實(shí)驗(yàn)中增效作用較好的陰離子表面活性劑和陽(yáng)離子表面活性劑，再以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)配比復(fù)配一定體積的酯類，將模擬氨氮廢水與復(fù)配好的促脫劑放置反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，測(cè)得吸光度后，計(jì)算出剩余氨氮濃度和氨氮去除率并記錄。

　　(1)陰離子表面活性劑與不同復(fù)配物復(fù)配超聲吹脫去除氨氮的分析，如表4。

　　陰離子表面活性劑分別與酯類復(fù)配作為促脫劑對(duì)氨氮進(jìn)行處理，與陽(yáng)離子表面活性劑超聲吹脫的去除效率的最小值為45.78%;與酯類搭配處理的去除效率最小值為55.03%，對(duì)比數(shù)據(jù)明顯看出，后者的效果更優(yōu)良，且平均去除率達(dá)65.18%。陰離子表面活性劑與陽(yáng)離子表面活性劑搭配，最高去除率為67.03%，復(fù)配酯類的最高去除率可到達(dá)為77.17%，對(duì)比明顯與酯類搭配效果更優(yōu)。同時(shí)通過(guò)將兩種復(fù)配組合對(duì)氨氮的去除率進(jìn)行方差分析。由F>F臨界(0.01)知，兩組數(shù)據(jù)存在顯著性差異，說(shuō)明陰離子表面活性劑與酯類復(fù)配優(yōu)于陰、陽(yáng)離子表面活性劑復(fù)配作為促脫劑對(duì)超聲吹脫去除氨氮增效增能的作用更明顯且更穩(wěn)定。

　　(2)陰離子表面活性劑與酯類復(fù)配分析，如表5。

　　由表5可知，在復(fù)配了有機(jī)物酯類之后，氨氮吹脫去除效率基本都在65%以上，其中最高去除率為77.17%，最低為55.03%，平均值為65.18%。同陽(yáng)離子表面活性劑與酯類復(fù)配的數(shù)據(jù)相比較，陰離子表面活性劑與酯類搭配更加穩(wěn)定，其氨氮的去除率偏差不大，即使它們的復(fù)配比不同，但都具有很好的協(xié)同超聲吹脫作用。

　　(3)各因素對(duì)促脫劑影響的主次順序分析，如表6。

　　由表6可知，三個(gè)因素中對(duì)氨氮去除率影響的主次順序?yàn)椋罕砻婊钚詣?gt;復(fù)配比>酯類。其中表面活性劑的三個(gè)水平對(duì)氨氮去除率影響的主次順序?yàn)椋篈OS>SH?BS>STBS，其中的優(yōu)水平為A2，即AOS，對(duì)吹脫去除氨氮增效是所選陰離子表面活性劑中最好的，說(shuō)明酯類對(duì)表面活性劑的性能有很好的活化功能。

　　復(fù)配物酯類的三個(gè)水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中的優(yōu)水平為B1，即乙酸乙酯，與陽(yáng)離子表面活性劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論不同，可因數(shù)據(jù)對(duì)比推斷在所選三種酯類中乙酸丁酯對(duì)表面活性劑吹脫去除氨氮的增效增能的作用最好，極有可能因?yàn)殛庩?yáng)離子表面活性劑性質(zhì)上的差異導(dǎo)致與不同的復(fù)配物產(chǎn)生了不同的效果。復(fù)配比的三個(gè)水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為C2，即3∶4，可初步推斷酯類與陰離子表面活性劑以小于1的比例復(fù)配作為脫氮?jiǎng)?，?duì)氨氮的脫除效果更為顯著，由此可得最優(yōu)組合為A2B1C2，從而根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)具有代表性和綜合可比性的特征，可初步推斷乙酸乙酯與AOS的質(zhì)量比為3∶4時(shí)搭配作為促脫劑，是本研究所需要的最恰當(dāng)、高效的促脫劑。

　　設(shè)計(jì)的因素水平為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)-氨氮去除率的平均值為縱坐標(biāo)繪制圖2，由圖2可看出，對(duì)陰離子表面活性劑的三個(gè)水平，氨氮去除率隨著碳數(shù)的增加而增加;對(duì)于復(fù)配物酯類的三個(gè)水平分別是乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯，處理氨氮的工藝水平的去除率表現(xiàn)為先降后升，其中乙酸乙酯與陰離子表面活性劑的復(fù)配對(duì)吹脫去除氨氮的增效增能的作用最明顯，其次則是乙酸丁酯和甲酸乙酯;復(fù)配比的三個(gè)水平(1∶1，3∶4，3∶2)中的最優(yōu)對(duì)比水平為3∶4，其次為3∶2和1∶1，可初步推斷復(fù)配物與陰離子表面活性劑以小于1的比例復(fù)配作為脫氮?jiǎng)?duì)氨氮脫除的增效作用更為顯著。

　　2.3陰陽(yáng)離子表面活性劑復(fù)配的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　以上陰、陽(yáng)離子表面活性劑的復(fù)配實(shí)驗(yàn)中，都有表面活性劑本身的復(fù)配與運(yùn)用，其分析如表7。

　　由表8可見(jiàn)，F(xiàn)<f0.05，可見(jiàn)陰陽(yáng)離子表面活性劑的種類及其復(fù)配比對(duì)氨氮去除效果均無(wú)顯著影響，進(jìn)而用極差進(jìn)行直觀分析，由表9可發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子表面活性劑的種類對(duì)氨氮去除率影響最大，其次為陰離子表面活性劑種類和復(fù)配比。< p="">

　　陽(yáng)離子表面活性劑的三個(gè)水平(TTAB/CTAB/STAB)中的優(yōu)先水平為A2，即CTAB;陰離子表面活性劑的三個(gè)水平(STBS/AOS/SHBS)中的優(yōu)水平為B1，即STBS;復(fù)配比的三個(gè)水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為C2，即3∶4，可得最佳的組合為A2B1C2。從而根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)具有代表性和綜合可比性的特征可初步推斷出，STBS與CTAB以3∶4的質(zhì)量比復(fù)配即為本正交實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)搭配組合。

　　以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的各因素水平為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)-氨氮去除率的平均值為縱坐標(biāo)繪制圖3，由圖3可看出，對(duì)于陽(yáng)離子表面活性劑的三個(gè)水平而言，氨氮去除率隨著碳數(shù)的增多而提高，其中CTAB為陽(yáng)離子表面活性劑的最優(yōu)水平，因此CTAB的增效作用是所選幾種陽(yáng)離子表面活性劑中最好的。

　　對(duì)陰離子表面活性劑的三個(gè)水平而言，STBS為陰離子表面活性劑的最優(yōu)水平，因此STBS對(duì)吹脫去除氨氮的增效作用是所選幾種陰離子表面活性劑中最好的，也是表面活性劑選擇中最優(yōu)的。復(fù)配比的三個(gè)水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為3∶2，其次為3∶4和1∶1，說(shuō)明陰陽(yáng)離子表面活性劑以大于1的復(fù)配比復(fù)配對(duì)吹脫去除氨氮的增效作用更顯著。

　　三、結(jié)論

　　本實(shí)驗(yàn)分別以復(fù)配前后的表面活性劑混合溶液做為脫氮?jiǎng)?，?duì)比氨氮去除率，發(fā)現(xiàn)表面活性劑在復(fù)配了一定量有機(jī)物或不同類表面活性劑后，對(duì)氨氮去除的增效作用更為顯著。復(fù)配組合中的最優(yōu)組合：a.陽(yáng)離子表面活性劑與酯類復(fù)配的最優(yōu)組合：乙酸丁酯與STAB以3∶2的質(zhì)量比搭配;b.陰離子表面活性劑與酯類復(fù)配的最優(yōu)組合：乙酸乙酯與AOS以3∶4的質(zhì)量比搭配;c.陰陽(yáng)離子表面活性劑復(fù)配的最優(yōu)組合：STBS與CTAB以3∶4的質(zhì)量比搭配。

　　最后選用促脫劑是乙酸乙酯與AOS以3∶4的質(zhì)量比的搭配，其促進(jìn)超聲吹脫的氨氮去除率最高為77.17%;最優(yōu)組合所得復(fù)配物為脫氮?jiǎng)┨幚聿煌瑵舛鹊陌钡獜U水，可發(fā)現(xiàn)氨氮濃度的高低對(duì)投加促脫劑的超聲吹脫效率的影響不大。

　　加在運(yùn)行周期中可使設(shè)備的耐磨防腐性更優(yōu)。因此在超聲吹脫法-吸附的基礎(chǔ)上投加促脫劑來(lái)減少氨氮污染排放的方法是切實(shí)可行的，且處理環(huán)境的需求同單純工藝處理相比需求更低，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。（來(lái)源：蘇州市宏宇環(huán)境科技股份有限公司常州分公司；常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院）