污水处理技术工艺

氨氮废水处理技术,多种工艺选择各具优势

目前,氨氮超标的问题越来越受到重视,相关的处理技术也层出不穷。生物脱氮、物理化学脱氮、折叠点氯化、化学沉淀、离子交换和吹脱各有各自的优点。

氨氮废水处理技术分析

随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高,氮化合物的排放量急剧增加,成为环境污染的主要来源,引起了社会各界的关注。经济有效地控制氨氮废水污染已成为当今环境工作者面临的一个重大问题。

1 氨氮废水的来源

含氮物质进入水环境的途径主要包括两个方面:自然过程和人类活动。含氮物质进入水环境的自然来源和过程主要有降水和沙尘沉淀、非城市径流和生物固氮等。人类活动也是水环境中氮的重要来源,主要包括未经处理或处理的城市和工业废水、各种渗滤液和地表径流。合成化肥是水体氮营养的主要来源。大量不被作物利用的氮化合物主要通过农田排水和地表径流进入地下水和地表水。随着石油、化工、食品、制药等行业的发展和人民生活水平的不断提高,城市污水和填埋场渗滤液中氨氮含量急剧增加。近年来,随着经济的发展,越来越多的氮污染物被随意排放到环境中。污水中氮以有机氮、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3-N)和亚硝酸盐氮(NO2-N)的形式存在,氨氮是其中最重要的形式之一。废水中的氨氮是指以游离氨和离子铵形式存在的氮,主要来源于生活污水中含氮有机物的分解、焦化、合成氨、农田排水等工业废水。氨氮污染源多,排放量大,排放浓度变化大。

2 氨氮废水的危害

在水环境中存在过量的氨氮可能会产生一些有害影响:

(1)由于NH4 + -N的氧化,水体中溶解氧的浓度降低,导致黑体臭和水质,影响水生植物和动物的生存。在有利的环境条件下,废水中含有的有机氮将转化为NH4 + -N。 NH4 + -N是最强的无机氮形式,将进一步转化为NO2 - N和NO3 - N.根据生化反应的测定关系,1g NH4 + -N被氧化成NO2 - N,消耗3.43g氧,被氧化成NO3 - N,耗氧量为4.57g。

(2)水中氮含量过高会导致水体富营养化,造成一系列严重后果。由于氮的存在,光合微生物(主要是藻类)的数量增加,即水体发生富营养化,堵塞了过滤器,缩短了过滤器的运行周期,从而增加了水处理的成本;阻碍了水的运动;藻类代谢的最终产物可以产生引起颜色和味道的化合物;蓝藻产生的毒素。牲畜损坏,鱼类死亡;由于藻类腐烂,水缺氧现象。

(3)水中NO2-N和NO3-N对人类和水生生物有害。长期饮用NO3-N含量超过10 mg/L的水可引起高铁血红蛋白,当血液中高铁血红蛋白含量达到70 mg/L时,会发生窒息,水中的NO2-N和胺相互作用产生亚硝胺,亚硝胺是“三重”物质。氯胺是由NH4+-N与氯反应产生的,氯胺的消毒效果不如游离氯,因此当NH4+-N存在时,水处理厂将需要更多的氯。

增加加工成本。近年来,含氨氮废水的随机排放给人畜饮水带来困难甚至中毒。我国长江、淮河、钱塘江、四川沱江等流域已有相关报道。在相应的地区,蓝藻污染已造成数百万居民饮水困难,相关水域受到“牵连”等重大事件的影响,污水中氨氮的去除已成为环境工作者研究的热点之一。

3 氨氮废水处理主要技术

目前国内外对氨氮废水的处理方法有分界氯化、化学沉淀、离子交换、汽提和生物脱氮等。这些技术可分为物理化学反硝化技术和生物反硝化技术。

3.1 生物脱氮法

氨氮的微生物去除过程有两个阶段。第一阶段是在好氧条件下,硝化细菌和硝化细菌将氨氮转化为亚硝酸盐氮和硝态氮的硝化过程。第二阶段是反硝化。在无氧或低氧条件下,反硝化细菌(异养微生物和自养微生物)将污水中的硝酸盐和亚硝酸盐氮还原为氮。在此过程中,有机化合物(甲醇、乙酸、葡萄糖等)被氧化成电子给体来提供能量。常用的生物脱氮工艺可分为三大类:多级污泥系统、单级污泥系统和生物膜系统。

3.1.1多级污泥系统

该过程可以获得相当好的BOD5去除效果和脱氮效果。缺点是工艺流程长,结构多,投资成本高,需要添加碳源,运行成本高,一定量的甲醇残留在流出物中。

3.1.2单级污泥系统

单级污泥系统包括预反硝化系统、后反硝化系统和交替运行系统.与传统的生物脱氮工艺相比,预反硝化生物脱氮工艺通常称为A-/O工艺。与传统的生物脱氮工艺相比,A-/O工艺具有工艺简单、结构简单、基建成本低、无附加碳源、出水水质好等优点。由于混合液缺乏有机质,通常需要人工添加碳源,但反硝化效果比前者高,理论上可以达到100%的反硝化效果。生物脱氮过程主要由两个系列反应器组成。通过改变进、出口方向,使两个储罐在缺氧和好氧条件下交替运行。该系统在本质上仍然是A-/O系统,但通过交替工作方式避免了混合液的回流,因此反硝化效果优于一般A-/O工艺。其缺点是运行成本和管理成本较高,需要配置计算机控制的自动操作系统。

3.1.3 生物膜系统

以固定生物膜反应器取代A-/O系统中的缺氧和好氧池,形成生物膜反硝化系统。在无污泥回流的缺氧好氧反应器中保存了两种适合反硝化和好氧化硝化的污泥系统。

3.2 物化除氮

通常用于物理化学氮去除的物理和化学方法包括断点氯化,化学沉淀,离子交换,汽提,液膜,电渗析和催化湿氧化。

3.2.1 折点氯化法

间断点氯化法是处理氨氮废水的氧化方法之一。氨与氯反应生成氮气是一种从水中脱除氨气的化学处理方法。这种方法也可以起到杀菌作用和有机物的无机部分,但含氯废水中残留的氯,应进一步脱氯。

在氨水中加入HClO时,当pH值接近中性时,随着次氯酸的加入,主要反应逐渐进行:

NH3 + HClO →NH2Cl + H2O ①

NH2Cl + HClO → NHCl2 + H2O ②

NH2Cl + NHCl2 →N2 + 3H+ + 3Cl- ③

当氯氨氮比(Cl/N)小于5.07时,第一类反应是生成一氯胺(NH2Cl),水中剩余氯浓度增加。然后,随着次氯酸用量的增加,单氯胺有两种反应形式.生成二氯胺(NHCl 2),以N2的形式除去水中的N。结果表明,当Cl/N比达到一定值时,水中的余氯浓度随Cl/N的增加而降低,水中的残余次氯酸(游离余氯)增加,水中的余氯浓度再次增加。这个最小值的点称为不连续点(自定义称为断点)。废水处理中Cl/N与有机物的比值为7.6,C1/N的C_(1/N)比值高于理论值7.6的C_(1/N),后者通常为10。6%的废水是由于废水中的氯与有机物发生反应而产生的。另外,当pH值不处于中性范围时,在酸性条件下产生三氯胺,在碱性条件下生成硝酸,从而降低了反硝化效率。

在pH为6-7时,氨氮去除率为90%-100%,每毫克氨氮10mg的剂量,和0.5-2.0小时的接触。因此,该方法适用于低浓度氨氮废水。

实际处理所需的氯量取决于温度、pH值和氨氮浓度。每毫克氨氮的氧合有时需要9-10毫克的氯断点。活性炭或二氧化硫通常用于在排放前对处理过的废水进行反氯化,以去除水中的余氯。氯化反应速度快,设备投资少,但液氯的安全使用和储存要求高,处理成本高。如果用次氯酸盐或二氧化氯发生器代替液氯,会更安全,降低运行成本。目前,国产氯气发生器的产氯量偏小,价格昂贵。因此,氯化法一般适用于给水处理,但不适用于处理大量高浓度氨氮废水。

3.2.2 化学沉淀法

化学沉淀的方法是在水中加入一定的化学剂,与水中的溶解物质反应生成不溶性盐,容易从沉积物中去除,从而降低水中可溶性物质的含量。当在含NH4+废水中加入PO 43-和Mg2+离子时,发生以下反应:

Nh4PO43-Mg2MgNH4PO4产生不溶性MgNH4PO4沉积物,去除水中氨氮。常用的沉淀剂为Mg(OH)_2和H_3PO_4,pH值为9.0~11,H3PO4/Mg(OH)_2的质量比为1.5~3.5。当废水中氨氮浓度小于900 mg/L时,去除率可达90%以上,沉积物是一种较好的复混肥。由于Mg(OH)2和H3PO4的成本高、成本高,对高浓度氨氮废水的处理是可行的。但是,在废水中加入PO 43-,很容易造成二次污染。

3.2.3 离子交换法

离子交换方法的本质是可交换离子对不溶性离子化合物(离子交换剂)与废水中其他异构体的交换反应。它是一种特殊的吸附过程,通常是可逆的化学吸附。沸石是一种天然离子交换材料,比阳离子交换树脂便宜得多,并且对NH4 + -N具有选择性吸附能。

纯丝光沸石和斜发沸石的平均阳离子交换容量分别为213和223m g/100g(m.e)。但实际天然沸石中含有不纯物质,因此高纯沸石的交换容量不超过每100g 200 m.e,一般为10-150 m.e.沸石作为离子交换剂具有特殊的离子交换特性。离子交换顺序为:cs(i)>rb(i)>k(i)>nh4+>sr(i)>na(i)>ca(i i)>fe(i i i)>al(i i i)>mg(i i)>li(i)。在工程设计和应用中,废水的pH值应调整到6-9,一般重金属含量很少。

除Mg外,Ca对沸石离子交换能力的影响大于Na和K,饱和吸附后沸石必须再生,以再生液法为主,而燃烧法较少。用NaOH和NaCl对再生液进行再生。由于废水中Ca~(2+)的存在,沸石对氨的去除率是不可逆转的,因此需要考虑补充和更新。

3.2.4 吹脱法

将废水吹除的方法是将废水调整为碱度,然后将空气或蒸汽注入汽提塔,并通过气液接触将废水中的游离氨吹入大气。加入蒸汽可以提高废水的温度,提高在一定pH值下吹脱氨的比例。该方法处理氨时,游离氨排放总量应符合大气氨排放标准,以避免二次污染。低浓度废水通常在常温下通过空气吹除,而炼钢、石化、化肥和有机化学有色金属冶炼行业的高浓度废水通常用蒸汽吹除。

3.2.5 液膜法

自1986年在黎念之发现乳液膜以来,液膜法已被广泛研究。许多人认为液膜分离方法可能成为第二代萃取后的分离纯化技术,特别适用于低浓度金属离子净化和废水处理。乳液膜法去除氨氮的机理是:氨氮NH3-N易溶于膜相油相,从膜相外侧迁移到膜相外侧,到达界面在膜相的内侧和内相之间。从膜的内相中的酸释放,所得的NH 4 +不溶于油相并稳定在膜的内相中。在膜的内侧和外侧之间的氨浓度差异的推动下,氨分子连续地迁移通过膜的表面并扩散到膜中。膜相的内部被解吸,从而达到分离和除去氨氮的目的。

3.2.6 电渗析法

电渗析是一种膜分离技术,通过在一对正负膜之间施加电压来去除水溶液中的溶解固体。当进水经过多对阴、阳离子渗透膜时,铵离子等离子通过膜进入另一侧的浓水,并在浓水中聚集,与进水分离。

3.2.7催化湿式空气氧化

催化湿式氧化是20世纪80年代发展起来的一种新的废水处理技术。在一定温度、压力和催化剂作用下,空气氧化可将废水中的有机物和氨分别氧化分解为CO2、N2和H2O等无害物质,达到净化的目的。该方法具有净化效率高(净化后可达到饮用水标准)、工艺简单、占地少等优点。经过多年的应用和实践,该污水处理方法的建设和运行成本仅为常规法的60%左右,具有较强的技术经济竞争力。

4 结论

国内外降解氨氮废水的各种技术和工艺各有优缺点。由于不同废水的性质不同,没有通用的方法来处理所有氨氮废水。因此,有必要对不同工业过程的废水特性和废水中所含成分的处理技术和工艺进行深入的系统研究,选择和确定。目前,生物脱氮方法主要用于低氨氮浓度的化工废水和含有机物的生活污水的处理,该方法工艺可靠,处理效果好。对于高浓度氨氮废水,主要使用吹离法。近年来,膜分离技术和催化湿式氧化法具有良好的应用前景。

氨氮废水处理技术,多种工艺选择各具优势

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