7種氨氮廢水的處理技術(shù)

高濃度氨氮廢水處理工藝工業(yè)廢水氨氮處理工藝：工業(yè)廢水——原水泵——粗格柵——曝氣沉砂——細(xì)格柵——缺氧池——好氧池——缺氧池——MBR池——消毒池——出水污泥回流一、氨氮廢水處理技術(shù)1.傳統(tǒng)脫氮工藝活性污泥法脫氮的傳統(tǒng)工藝[1]是在1969年美國(guó)的巴茨（Barth）提出的，被稱(chēng)為三級(jí)活性污泥法，是以氨化、硝化和反硝化3步反應(yīng)過(guò)程為基礎(chǔ)建立起來(lái)的?；钚晕勰嗪杏袡C(jī)物降解菌、硝化菌和反硝化菌，它們分別在各自的反應(yīng)池內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，并且有各自的沉淀池和回流設(shè)施，如圖1.1所示。在實(shí)踐中還可采用兩級(jí)生物脫氮系統(tǒng)（如圖1.2所示），將前兩級(jí)BOD去除和硝化兩道反應(yīng)過(guò)程合在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，第一級(jí)池去除BOD，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH3、NH4+，同時(shí)使NH3、NH4+進(jìn)一步氧化成NOx－-N。第二級(jí)池在缺氧條件下，將NOx－-N還原為氮?dú)?，并逸出大氣，?yīng)采取厭氧－缺氧的運(yùn)行方式。碳源，既可投加CH3OH（甲醇）作為外加碳源，亦可引入原廢水作為碳源。該工藝優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)速率大，而且比較徹底。缺點(diǎn)是處理設(shè)施多，占地面積大，造價(jià)高，管理不夠方便，因此在實(shí)踐中采用比較少。圖1.1傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝（三級(jí)活性污泥法流程）圖1.2兩級(jí)生物脫氮工藝2.A/O法A/O脫氮工藝是80年代初開(kāi)發(fā)出來(lái)的工藝流程（圖1.4）。廢水經(jīng)預(yù)處理和一級(jí)處理后，首先進(jìn)入缺氧池，利用氨化菌將廢水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成NH3-N，與原廢水中的NH3-N一并進(jìn)入好氧池。在好氧池中，除與常規(guī)活性污泥法一樣對(duì)含碳有機(jī)物進(jìn)行氧化外，在適宜的條件下，利用亞硝化菌及硝化菌，將廢水中NH3-N硝化生成NOx－-N。為了達(dá)到廢水脫氮的目的，好氧池中硝化混合液通過(guò)內(nèi)循環(huán)回流到缺氧池，利用原廢水中有機(jī)碳作為電子供體進(jìn)行反硝化，將NOx－-N還原成氮?dú)狻Ｅc傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，A/O系統(tǒng)不用投加外加碳源，可利用原廢水中的有機(jī)物作為碳源進(jìn)行反硝化，達(dá)到同時(shí)降低COD和脫氮的目的。缺氧池設(shè)在好氧池之前，當(dāng)水中堿度不足時(shí)，由于反硝化可增加堿度，因而可以補(bǔ)償硝化過(guò)程中對(duì)堿度的消耗。A/O工藝只有一個(gè)污泥系統(tǒng)，混合菌群交替處于好氧和缺氧狀態(tài)，有機(jī)物濃度高低交替條件，有利于控制污泥膨脹。近十幾年來(lái)A/O工藝在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)展較快，被認(rèn)為是解決城市污水及含氮工業(yè)廢水氮污染的有效工藝。圖1.4A/O法

3.氧化溝氧化溝是上世紀(jì)50年代由荷蘭巴斯韋爾（Pasveer）開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種廢水生物處理技術(shù)，屬于活性污泥法的一種變型。其基本特征是曝氣池呈封閉、環(huán)狀跑道式，廢水和活性污泥以及各種微生物混合在溝渠中作不停地循環(huán)流動(dòng)，完成對(duì)廢水的硝化與反硝化處理。生物氧化溝兼有完全混合式、推流式和氧化塘的特點(diǎn)。在技術(shù)上具有凈化程度高、耐沖擊、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、維修簡(jiǎn)單、投資少、能耗低等特點(diǎn)。氧化溝在空間上形成了好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，具有良好的脫氮功能。以卡魯塞爾氧化溝為例，其是在每組溝渠的轉(zhuǎn)彎處安裝一臺(tái)表面曝氣機(jī)，靠近曝氣機(jī)的下游為富氧區(qū)，而上游為低氧區(qū)，外環(huán)還可能成為缺氧區(qū)，這樣形成了生物脫氮的環(huán)境條件。目前常用的氧化溝主要有多溝交替式氧化溝、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、一體化氧化溝(見(jiàn)圖1.4)。

a多溝交替式氧化溝

b卡魯塞爾氧化溝

c奧貝爾氧化溝

d一體化氧化溝圖1.5氧化溝4.SBA法SBR法是在20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展起來(lái)的一種生物處理技術(shù)，以序批間歇式操作為主要特征。所謂序列間歇式有兩種含義，一是運(yùn)行操作在空間上按序排列的、間歇的。由于廢水大多是連續(xù)排放，且流量波動(dòng)很大，這使得SBR至少兩個(gè)池或者多個(gè)池，各個(gè)池按一定順序和周期運(yùn)行，也是間歇的。二是運(yùn)行操作在時(shí)間上也是按序排列的、間歇的。一般按運(yùn)行次序分五個(gè)階段，即進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置階段，稱(chēng)為一個(gè)運(yùn)行周期，如下圖所示。進(jìn)水

反應(yīng)

沉淀

排水

閑置圖1.6SBR法工序循環(huán)周期和各個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行狀態(tài)都可以根據(jù)具體廢水水質(zhì)和出水要求靈活控制。例如，在進(jìn)水階段，可以按限制性曝氣（進(jìn)水期間不曝氣）運(yùn)行，也可以按半限制性曝氣（進(jìn)水到一半時(shí)開(kāi)始曝氣）運(yùn)行，還可以按非限制性曝氣（邊進(jìn)水邊曝氣）運(yùn)行；在反應(yīng)階段，可以一直曝氣，為了實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷也可以曝氣后攪拌或者曝氣攪拌交替進(jìn)行；剩余污泥排放可以在排水階段或排水后期排放。只要我們有效調(diào)節(jié)好SBR運(yùn)行周期、各階段運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài)就可以達(dá)到多種功能的要求。5.DAT-LAT工藝DAT-IAT工藝是SBR工藝?yán)^ICEAS、CASS、CAST、IDEA法之后不斷完善發(fā)展起來(lái)的一種新工藝，其主體構(gòu)筑物由需氧池（DemandAerationTank,簡(jiǎn)稱(chēng)DAT）和間歇曝氣池（IntermittentAerationTank,簡(jiǎn)稱(chēng)IAT）串聯(lián)組成（如圖1.6所示）。廢水進(jìn)入DAT池后，在DAT池內(nèi)與以前的混合液以及回流液完全混合，并進(jìn)行連續(xù)曝氣，具有較高的溶解氧，細(xì)菌的活性非常強(qiáng)，大部分可溶性有機(jī)物被去除，它的反應(yīng)機(jī)制以及有機(jī)物的去除機(jī)理與連續(xù)流活性污泥法（CFS）基本相同，但是在DAT池內(nèi)有機(jī)物濃度要高于連續(xù)流活性污泥法，有機(jī)物負(fù)荷高，降解速率快。IAT池與典型的SBR池相似，包括曝氣、沉淀、排水、閑置四個(gè)階段，也可以根據(jù)實(shí)際需要增加攪拌階段，處理后的上清夜和剩余污泥均在IAT池內(nèi)排放，但與SBR法又有不同點(diǎn)，其進(jìn)水是連續(xù)的。由于DAT池對(duì)水質(zhì)的調(diào)節(jié)、均衡作用，使得進(jìn)入IAT池內(nèi)水質(zhì)穩(wěn)定，有機(jī)物負(fù)荷低，提高了系統(tǒng)對(duì)水量水質(zhì)變化的適應(yīng)性。同時(shí)，由于有機(jī)物濃度低，為硝化菌繁殖創(chuàng)造了條件，有利于硝化反應(yīng)進(jìn)行。IAT池間歇曝氣，并根據(jù)需要增加厭氧攪拌，使得微生物處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達(dá)到對(duì)污染物降解作用，同時(shí)還具有較好的脫氮、除磷功能。IAT池中底部沉降的活性污泥大部分作為該池下個(gè)處理周期使用，一部分污泥用污泥泵連續(xù)打回DAT池作為DAT池的回流污泥，多余的剩余污泥引至污泥處理系統(tǒng)進(jìn)行污泥處理。

曝氣

攪拌

曝氣

曝氣

曝氣

沉淀

曝氣

排水

圖1.6DAT-IAT工藝工序6.折點(diǎn)加氯法廢水中含有氨和各種有機(jī)氮化物，大多數(shù)污水處理廠排水中含有相當(dāng)量的氮。如果在二級(jí)處理中完成了硝化階段，則氮通常以氨或硝酸鹽的形式存在。投氯后次氯酸極易與廢水中的氨進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)中依次形成三種氯胺：

NH3+HOCl→NH2Cl(一氯胺)+H2O

NH2Cl+HOCl→NHCl2(二氯胺)+H2O

NH2Cl+HOCl→NCl3(三氯胺)+H2O

上述反應(yīng)與pH值、溫度和接觸時(shí)間有關(guān)，也與氨和氯的初始比值有關(guān)，大多數(shù)情況下，以一氯胺和二氯胺兩種形式為主。其中的氯稱(chēng)為有效化合氯。

在含氨水中投入氯的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投氯量達(dá)到氯與氨的摩爾比值1∶1時(shí)，化合余氯即增加，當(dāng)摩爾比達(dá)到1.5∶1時(shí)，（質(zhì)量比7.6∶1），余氯下降到最低點(diǎn)，此即“折點(diǎn)”"。在折點(diǎn)處，基本上全部氧化性的氯都被還原，全部氨都被氧化，進(jìn)一步加氯就都產(chǎn)生自由余氯。

在廢水處理中，達(dá)到折點(diǎn)所需氯總是超過(guò)質(zhì)量比7.6∶1，當(dāng)污水的預(yù)處理程度提高時(shí)，到達(dá)折點(diǎn)所需氯量就減少。

折點(diǎn)加氯產(chǎn)生酸，當(dāng)氧化1mg/LNH3-N時(shí)，需14.3mg/L的堿度（以CaCO3計(jì)）來(lái)中和，實(shí)際上，由于氯的水解，真正需要的堿度為15mg/L。大多數(shù)情況下，pH值將略有降低。

為了達(dá)到折點(diǎn)反應(yīng)所加入的氯劑，除形成次氯酸外，還增加廢水中的總?cè)芙夤腆w含量。在廢水復(fù)用情況下，溶解固體的含量可能成為影響回用的障礙。

以氯氣進(jìn)行折點(diǎn)氯化6.2:1

以次氯酸鈉進(jìn)行折點(diǎn)氯化7.1:1

投氯氣后，用石灰中和全部酸度12.2:1

投氯氣后，用NaOH中和全部酸度14.8:1

折點(diǎn)加氯法因加氯量大，費(fèi)用高，以及產(chǎn)酸增加總?cè)芙夤腆w等原因，目前尚未見(jiàn)以此為主要除氨方法的污水廠在運(yùn)行6.吹脫法吹脫法用于脫除水中氨氮，即將氣體通入水中，使氣液相互充分接觸，使水中溶解的游離氨穿過(guò)氣液界面，向氣相轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到脫除氨氮的目的。常用空氣作載體（若用水蒸氣作載體則稱(chēng)汽提）。水中的氨氮，大多以氨離子（NH4+）和游離氨（NH3）保持平衡的狀態(tài)而存在。其平衡關(guān)系式如下：NH4++OH-NH3+H2O（1）氨與氨離子之間的百分分配率可用下式進(jìn)行計(jì)算：Ka=Kw/Kb=（CNH3·CH+）/CNH4+（2）式中：Ka———氨離子的電離常數(shù)；Kw———水的電離常數(shù)；Kb———氨水的電離常數(shù)；C———物質(zhì)濃度。式（1）受pH值的影響，當(dāng)pH值高時(shí)，平衡向右移動(dòng)，游離氨的比例較大，當(dāng)pH值為11左右時(shí)，游離氨大致占90％。由式（2）可以看出，pH值是影響游離氨在水中百分率的主要因素之一。另外，溫度也會(huì)影響反應(yīng)式（1）的平衡，溫度升高，平衡向右移動(dòng)。表1列出了不同條件下氨氮的離解率的計(jì)算值。表中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)pH值大于10時(shí)，離解率在80%以上，當(dāng)pH值達(dá)11時(shí)，離解率高達(dá)98%且受溫度的影響甚微。表1不同pH、溫度下氨氮的離解率%pH20℃30℃35℃9.02550589.560808310.080909311.0989898氨吹脫一般采用吹脫池和吹脫塔2類(lèi)設(shè)備，但吹脫池占地面積大，而且易造成二次污染，所以氨氣的吹脫常采用塔式設(shè)備。吹脫塔常采用逆流操作，塔內(nèi)裝有一定高度的填料，以增加氣—液傳質(zhì)面積從而有利于氨氣從廢水中解吸。常用填料有拉西環(huán)、聚丙烯鮑爾環(huán)、聚丙烯多面空心球等。廢水被提升到填料塔的塔頂，并分布到填料的整個(gè)表面，通過(guò)填料往下流，與氣體逆向流動(dòng)，空氣中氨的分壓隨氨的去除程度增加而增加，隨氣液比增加而減少。2影響因素及液氣比的確定影響游離氨在水中分布的pH值、溫度等因素都會(huì)影響吹脫效率。另外氣液比、噴淋密度等操作條件也是影響吹脫效率的主要因素。下面以逆流塔為例分析液氣比的確定及其影響。氨吹脫是一個(gè)相轉(zhuǎn)移過(guò)程，推動(dòng)力來(lái)自空氣中氨的分壓與廢水中氨濃度相當(dāng)?shù)钠胶夥謮褐g的差，由物料守衡（見(jiàn)圖1）可得吹脫塔操作線(xiàn)方程為：Y=L/V（X~X1）+Y1（3）圖1.7逆流吹脫塔物料衡算即以（L/V）為斜率的直線(xiàn)，如圖2的直線(xiàn)MN。在此，L值已經(jīng)確定，若減少吹脫氣體的用量，操作線(xiàn)斜率將會(huì)增大，點(diǎn)N便沿垂直線(xiàn)X=X2向上移動(dòng)，傳質(zhì)推動(dòng)力（X2~X2*）或（Y2~Y2*）隨之減小，當(dāng)點(diǎn)N落在線(xiàn)Y*上時(shí)，Y2=Y2*，塔頂吹脫氣體濃度達(dá)到平衡，即最高濃度。此時(shí)氣體用量最小，這是理論上液氣比能達(dá)到的最大值，但推動(dòng)力變?yōu)?。（L/V）max=（Y2*~Y1）/（X2~X1）（4）通常要求達(dá)到的氨去除程度（X1）、進(jìn)口濃度（X2）為已知，空氣進(jìn)口濃度（Y1）為零，Y2*為與X2對(duì)應(yīng)的氣體平衡濃度，可由亨利定律求得[2、3]，如下式：Y=mX（5）因此最大液氣比可表示為：（L/V）max=mX2/（X2~X1）（6）式中m為平衡常數(shù)，是溫度的函數(shù)。所以溫度對(duì)氣體平衡濃度進(jìn)而對(duì)（L/V）max有較大的影響。有文獻(xiàn)報(bào)道[4]，當(dāng)溫度從10℃變?yōu)?0℃時(shí)，（L/V）max從0.58增大到2.4。在逆流吹脫塔中，對(duì)確定的廢水量而言，增大氣體量，傳質(zhì)推動(dòng)力相應(yīng)增大，有利于氨氮吹脫去除。但氣量太大，氣速過(guò)高，將影響廢水沿填料正常下流甚至不能流下，即引起液泛現(xiàn)象。因此，對(duì)一定廢水量，最小液氣比受液泛氣速控制。液泛氣速與塔式結(jié)構(gòu)、填料種類(lèi)和液體物性等因素都有關(guān)。顯然，實(shí)際的液氣比應(yīng)滿(mǎn)足下式要求：（L/V）泛＜（L/V）＜（L/V）amx（7）圖1.8逆流吹脫塔操作線(xiàn)3吹脫工藝的應(yīng)用吹脫法已廣泛用于化肥廠廢水、垃圾滲濾液、石化、煉油廠等[5~8]含氨氮廢水。低濃度廢水通常在常溫下用空氣吹脫，而高濃度廢水則常用蒸汽進(jìn)行吹脫。有些高濃度廢水經(jīng)吹脫處理后，仍含有較高的氨。因而常與其它工藝相結(jié)合。二、工藝選擇1．吹脫法+生物法根據(jù)工程事例，采用吹脫一缺氧一兩級(jí)好氧工藝處理垃圾滲濾液，其中氨氮含量達(dá)1400mg/L，COD濃度為4000~5000mg/L。選定pH值為9.5，吹脫時(shí)間12h，經(jīng)吹脫后氨氮去除率為60%，經(jīng)生化處理后氨氮去除率達(dá)95%，同時(shí)取得90%以上的COD去除效果。其工藝流程如圖2.1。圖2.1垃圾滲濾液處理工藝流程2.吹脫法+折點(diǎn)氯化法注：預(yù)處理包括兩級(jí)調(diào)節(jié)、銅置換、沉淀圖4酞菁藍(lán)生產(chǎn)廢水處理工藝折點(diǎn)氯化法是投加過(guò)量的氯或次氯酸鈉，使廢水中氨完全氧化為N2或硝酸鹽的方法[12]，可用以下反應(yīng)式表示：NH4++HOCl→NH2Cl+H2O+H+（8）NH2Cl+HOCl→NHCl2+H2O（9）NHCl2+HOCl→NCl3+H2O（10）一氯胺進(jìn)一步氧化為氮：2NH2Cl+HOCl→N2+H2O+3H++3Cl-（11）二氯胺經(jīng)下列反應(yīng)生成硝酸鹽：NHCl2+H2O→NH（OH）Cl+H++Cl-（12）NH（OH）Cl+2HOCl→NO3-+4H++3Cl-（13）氯化法處理率達(dá)90%~100%，效果穩(wěn)定，不受水溫影響、操作方便、投資省，但對(duì)于高濃度氨氮廢水的處理運(yùn)行成本很高。若在此之前用吹脫法降低廢水中氨氮含量，可以減少加氯量，極大地降低處理成本。3.A/O法+折點(diǎn)加氯法利用A/O法去除大部分的氨氮，在利用折點(diǎn)加氯法確保出水的達(dá)標(biāo)。三、試驗(yàn)1、工藝流程圖：2.工藝條件a、硝化過(guò)程的主要環(huán)境條件（1）好氧條件，根據(jù)計(jì)算，1g的氮完全硝化需要4.75g的氧，要求溶解氧不低于1mg/L；（2）有機(jī)物，混合液中的有機(jī)物含