环保水处理：工业氨氮废水处理方法及效果分析总结

环保水处理：工业氨氮废水处理方法及效果分析总结

环境水处理

目前，处理工业氨氮废水的方法主要有物理化学法和生物法，其中常用的吹脱法、吸附法、膜技术、化学沉淀法、化学氧化法等属于物理化学法；生物法又可分为传统硝化反应硝化法和新型短时硝化反硝化法、同步硝化反硝化法、厌氧氨氧化法等。

但由于水质指标不同、工艺条件的限制，针对不同类型的废水所采用的处理技术有很大差异，例如在高浓度氨氮废水处理中，常采用吹脱-生物法、吹脱-断点氯化法、化学沉淀-生物法等；在低浓度氨氮废水处理中，考虑到成本与效益问题，常采用吸附法、生物法等。笔者将对氨氮废水的不同处理技术及其效果进行分析总结，为其工业处理过程中工艺方法及设计参数的选择提供参考。

1.高浓度氨氮废水处理技术

高浓度氨氮废水是指氨氮浓度大于500mg/L的废水。随着石油、化工、冶金、食品、制药等工业的发展和人民生活水平的不断提高，工业废水和城镇生活污水中氨氮含量急剧增加。氨氮污染源多，排放量大，排放浓度越来越高。目前，高氨氮废水的处理技术主要采用吹脱法、化学沉淀法等。

1.吹扫法

将空气通入废水中，使废水中的溶解气体和挥发性溶质由液相转移到气相，从而对废水进行处理的过程称为汽提。常见的工艺流程如图1所示。

吹脱法的基本原理是气液相平衡和传质速率理论。将氨氮废水的pH值调节为碱性，此时铵离子转化为氨分子，然后将气体通入水中，使之与液体充分接触。吹脱剂中溶解的气体和挥发性的氨分子通过气液界面转移到气相中，从而达到去除氨氮的目的。通常用空气或水蒸气作为载气，前者称为空气吹脱，后者称为蒸汽吹脱。

蒸汽吹脱法效率较高，氨氮去除率可达90%以上，但能耗较大，一般用于炼钢、化肥、石油化工等行业，其优点是经吹脱处理后氨气可循环回收，氨气中氨氮含量可达30%以上。空气吹脱法效率虽然低于蒸汽法，但能耗低，设备简单，操作方便，当氨氮总量不高时，空气吹脱法较为经济。同时可用硫酸作吸收剂吸收吹脱的氨氮，生成的硫酸铵可制成肥料。但在大型氨气吹脱塔生产过程中，水垢的生成是一个比较棘手的问题，通过加装喷水系统可有效解决软垢问题，但喷水装置无法消除硬垢。另外，低温下氨氮去除率低，吹脱气形成二次污染。因此，吹脱法一般与其他氨氮废水处理方法联合使用，采用吹脱法对高浓度氨氮废水进行预处理。

许多学者对利用空气吹脱法处理不同氨氮废水进行了实验研究，并得到了最佳空气吹脱工艺条件，如表1所示。

通过对表1的比较分析，我们可以得出结论：

（1）反萃取法适宜的pH值一般在11左右；

（2）从经济因素考虑，30-40℃左右的温度较为可行，且处理率较高；

（3）脱漆时间约为3小时；

（4）气液比约为5000：1，汽提温度越高，气液比越小；

（5）经过汽提后废水浓度可降至中、低浓度；

（6）反硝化率基本保持在90%以上。虽然吹脱法可以去除大部分氨氮，但处理后的废水中氨氮仍然高达100mg/L以上，不能直接排放，需要后续深度处理。

2、化学沉淀法（磷酸铵镁沉淀法）

化学沉淀的原理是向氨氮废水中添加含Mg2+和PO43-的试剂，使废水中的氨氮和磷以鸟粪石（磷酸铵镁）的形式沉淀下来，同时回收废水中的氮和磷。

化学沉淀法优点在于：工艺设计和操作比较简单；反应稳定，受外界环境影响较小，抗冲击能力强；脱氮率高，效果明显，生成的磷酸铵镁可作为无机复合肥料，解决了氮素回收和二次污染问题，具有良好的经济效益和环境效益。

磷酸铵镁沉淀法适用于处理氨氮浓度较高的工业废水，表2总结了一些采用化学沉淀法处理氨氮废水的案例。

通过表2对比可知磷酸铵镁沉淀法处理氨氮废水的适宜条件为：pH值为9.0左右，n(P):n(N):n(Mg)为1:1:1.2左右，磷酸铵镁为1:1:1.2左右。沉淀法脱氮率能保持较高的水平，一般可达90%以上。

2.低浓度氨氮工业废水处理技术

由于技术和处理成本原因，我国很多企业在排放废水时只对COD进行深度处理，往往忽视了低浓度氨氮的处理。废水中氨氮的主要成分有两种：一种是由氨水形成的。氨氮是由无机氨形成的，主要有硫酸铵、氯化铵等。氨氮是造成水体富营养化的重要因素之一，这类污水在回用时，还会对管道中的金属造成腐蚀，缩短设备管道寿命，增加维护成本。目前工业上常用处理低浓度氨氮的技术主要有吸附法、断点氯化法、生物法、膜技术等。

1.吸附法

吸附是一种或多种物质（称为吸附质）在另一种物质（称为吸附剂）表面自动发生浓度变化的过程，其实质是物质从液相或气相移动到固体表面的过程，是一种物质的传递现象。

吸附是处理低浓度氨氮废水最有前途的方法之一。吸附法常采用多孔固体作为吸附剂，根据吸附原理不同，可分为物理吸附、化学吸附和交换吸附。最理想的方法是离子交换吸附，它属于交换吸附法的一种。它是利用吸附剂上的可交换离子与废水中的NH4+进行交换，吸附NH3分子，达到除去水中氨的目的。这是一个可逆过程，离子间的浓度差和吸附剂对离子的亲和力为吸附过程提供了驱动力。

常用的吸附性能较好的吸附剂有：沸石、活性炭、煤、离子交换树脂等，这些吸附材料根据其吸附原理不同，对不同的吸附质有不同的吸附效果。

该方法一般只适用于低浓度氨氮废水，对于高浓度氨氮废水，采用吸附法会因频繁更换吸附剂而造成操作困难，因此需要结合其他工艺，协调反硝化过程。

吸附法所用的吸附剂很多，但不同吸附剂对废水中氨氮的吸附量差别很大，表3比较了部分吸附剂的吸附效果。

从表3可以看出，对于传统的吸附剂如沸石、交换树脂等，对氨氮的处理率较高，一般可达90%以上。

2.断点氯化法

断点氯化是污水处理工程中常用的一种反硝化工艺，其原理是将氯气通入氨氮废水中，使之达到某一临界点，使氨氮在化学过程中氧化成氮气。其反应方程式为：

NH4++1.5HOCl→0.5N2+1.5H2O+2.5H++1.5Cl-

断点氯化法的优点是：处理效率高、效果稳定，去除率可达100%；此法不受含盐量、水温影响，操作简便；有机物含量越少，氨氮处理效果越好；不产生沉淀；初投资小，反应迅速、完全；能对水体进行杀菌消毒。但断点氯化法只适用于低浓度废水的处理，因此多用于氨氮废水的深度处理。此法的缺点主要有：液氯消耗量大，成本高，液氯的储存和使用安全要求高，反应副产物氯胺及氯化有机物会对环境造成二次污染。原水水质为西北某镍钴生产基地某车间产生的废水。当70%的废水经吹脱工艺去除出水中的氨氮后，再经断点氯化法处理后，出水中的氨氮浓度

黄海明等对断点氯化法去除NH4+-N进行了研究，采用模拟废水与实际废水相结合的方法，结果表明，对于不同初始浓度的废水，当pH=7、Cl-与NH4+质量浓度比为7:1、反应时间约为10~15min时，NH4+-N去除率高达98%。

3. 生物方法

生物法是指废水中氨氮在多种微生物作用下，通过硝化、反硝化等一系列反应，最终生成氮气的过程，其反硝化途径如图2所示。废水（BOD/COD>0.3），氨氮可用生物方法去除。

采用生物法处理氨氮废水时，有机碳的相对浓度是主要考虑的因素，维持最佳碳氮比也是生物法成功的关键之一。

生物法具有操作简单、效果稳定、无二次污染、经济等优点，缺点是占地面积大，处理效率易受温度、有毒物质影响，对操作管理要求高，应用中要考虑某些物质对微生物活性和繁殖的抑制作用。另外，高浓度的氨氮对生物硝化过程有抑制作用，因此，在处理初始质量浓度的氨氮废水时，

J. Kim等人利用小球藻处理废水中的氨氮，实验结果表明，经过24小时的滞后期后，小球藻在48小时内对氨氮的去除率可达50%。

（1）生物硝化反硝化技术

传统的生物硝化反硝化过程包括硝化和反硝化两个阶段，硝化过程是指在好氧条件下，在硝酸盐细菌和亚硝酸盐细菌的作用下，氨氮被氧化成硝酸盐氮和亚硝酸盐氮；再通过缺氧条件，反硝化细菌将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮还原成氮气，从而达到反硝化的目的。

传统的生物硝化反硝化方法中，比较成熟的方法有A/O法、A2/O法、SBR序批处理法、接触氧化法等，它们具有效果稳定、操作简单、无二次污染、成本低廉等优点。但该方法也存在一些缺点，如需要补充相应的碳源才能达到去除氨氮的目的，增加了运行成本；碳氮比较小时，消化液需回流，增加了反应池的容积和功耗；硝化菌浓度低，体系投加碱量大等。杨晓军等通过A/O膜生物反应器处理某炼油厂气浮池出水中的氨氮。实验结果表明,当氨氮、COD容积负荷为0.04～0.08、氨氮浓度为0.30～0.84kg/(m3˙d)时,处理水中氨氮质量浓度均小于5mg/L。

（2）新型生物脱氮技术

A.短程硝化反硝化技术。短程硝化反硝化是在同一反应器中，在好氧条件下，氨氧化细菌将氨氧化成亚硝酸盐，阻止亚硝酸盐的进一步氧化，然后直接在厌氧条件下，利用有机物或外界碳源作为电子供体，将亚硝酸盐反硝化生成氮气的过程。

与传统生物反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点：对于活性污泥法来说，可节省25%的供氧量，降低能耗；节省碳源，在一定情况下，可提高总氮的去除率；提高反应速率，缩短反应时间，减小反应器体积。但由于亚硝酸菌与硝化菌之间关系密切，各影响因素的变化同时对两类菌产生影响，而且各因素之间还存在相互作用，这就给短期硝化反硝化条件的控制带来了困难。目前，短期硝化反硝化技术还处于人工布水实验阶段，对这一现象的理论解释还不够充分。

B.同时硝化反硝化技术。当硝化与反硝化在同一反应器内同时进行时，称为同时硝化反硝化（SND）。废水中的溶解氧受扩散速率限制，在表面，溶解氧浓度较高，有利于好氧硝化细菌和氨化细菌的生长繁殖。而越深入絮体或膜内，溶解氧浓度越低，形成缺氧区，反硝化细菌占主导地位，从而形成同时硝化区，即反硝化过程。

邹连培等研究了膜生物反应器系统中的同步硝化反硝化现象，实验结果表明，当DO为1mg/L、C/N=30、pH=7.2时，COD、NH4+-N、TN的去除率分别为96%、95%、92%。研究发现，在一定范围内，增加或减少反应器中的DO浓度后，TN的去除率都会下降。

同时硝化反硝化法节省反应器，缩短反应时间，能耗低，投资少，但同步硝化反硝化研究尚处于实验室阶段，其机理和动力学模型有待进一步研究，其工业化应用还难以实现。

（3）厌氧氨氧化技术。

厌氧氨氧化是指微生物在缺氧或厌氧条件下，以NH4+为电子受体，以NO2-或NO3-为电子给体，将NH4+、NO2-或NO3-转化为N2的过程。

何艳等研究了该工艺与厌氧氨氧化工艺组合处理“中龄”垃圾填埋场渗滤液的效果。实验结果表明，在具有硝化活性的污泥中即可启动厌氧氨氧化反应器；在水中氨氮和亚硝酸盐氮的质量浓度不超过250mg/L的条件下，氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别可达80%和90%。目前，该工艺与厌氧氨氧化组合工艺的研究尚处于实验室阶段，需进一步调整优化工艺条件，提高组合工艺在实际高氨氮废水中去除总氮的效率。厌氧氨氧化技术可显著降低硝化反应的充氧能耗，省去了反硝化反应，外源电子供体可节省传统硝化反硝化工艺所需的中和剂，产生较少的污泥。但迄今为止，其反应机理、参与菌种及各项操作参数尚不明确。

4.膜技术

（1）反渗透技术

反渗透技术是在高于溶液渗透压的压力下，通过半透膜选择性地截留溶质，从而将溶质与溶剂分离的技术，具有能耗低、无污染、技术先进、操作维护简单等优点。

在利用反渗透技术处理氨氮废水过程中，设备给予足够的压力，水透过选择性膜析出，可作为工业纯水，而膜另一侧的氨氮溶液浓度则相应升高，成为可处理回用的溶液。实际操作中，施加的反渗透压力与溶液的浓度成正比。随着氨氮浓度的升高，反渗透装置所需的能耗随之增大，而效率则降低。

徐永平等研究了反渗透处理碳酸钾生产车间NH4Cl废水工艺，实验装置采用反渗透膜（NTR-）滤池，研究结果表明：在膜技术处理氨氮废水过程中，氯化铵质量浓度最好在60g/L以下，在此浓度条件下，设备氨氮去除效率较高，一般大于97%，各项技术指标均合格，可在实际生产中运行。

（2）透析

电渗析是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，将离子从电解质溶液中分离出来的过程，电渗析可以高效地从废水中分离出氨氮，且该方法初投资小，能耗及试剂消耗低，操作简单，水利用率高，不产生二次污染副产物。

唐岩等采用自制电渗析装置处理进水电导率为2920μS/cm、氨氮浓度为534.59mg/L的氨氮废水，结果表明：电渗析电压为55V，进水流量为24L/h。在最佳工艺参数下，得出的结论是：实验水可得到有效的脱氮，出水中氨氮质量浓度为13mg/L。

3. 不同浓度氨氮工业废水处理方法比较

不同氨氮废水处理方法的优缺点比较见表4。

通过以上方法的讨论可以看出，目前针对工业废水高浓度氨氮的处理方法主要是采用物理、化学方法进行预处理，然后选择其他方法进行后续处理，虽然能够达到良好的处理效果，但是仍然存在结垢、二次污染的问题；处理低浓度氨氮废水常用的方法有化学法和传统的生物法，化学法部分处理技术尚不成熟，在实际生产中还没有得到应用，不能满足工业对低浓度氨氮废水深度处理的要求；生物法可以较好地解决二次​​污染问题，满足工业对低浓度氨氮废水深度处理的要求，但是微生物的选择和驯化尚不成熟。

四、结论

随着国家对氨氮排放标准的提高，工业氨氮废水处理技术有着广阔的应用前景，目前针对中低浓度氨氮废水的处理技术还有待进一步完善，多种脱氮技术的组合、氨氮回收综合利用将是今后的重点研究方向。