膜吸收法去除废水氨氮技术

氨氮是水体中重要的好氧污染物之一，直接排入水体将会对人类健康和生态环境产生严重危害。我国在《地表水环境质量标准》(GB3838-2000)中规定氨氮的标准限制范围为0.02~150mg/L。常见传统处理氨氮的工艺有生物脱氮法、离子交换法、化学沉淀法、催化湿式氧化法等，但这些方法不仅去除效果低而且会带来二次污染的问题。为了减少处理过程中氨氮对环境的二次污染问题，膜方法逐渐成为主流研究的趋势。常见的膜技术有真空膜脱氨、膜蒸馏脱氨、膜吸收脱氨、膜生物反应器脱氨等。本文主要以脱氨膜集成装置为基础，采用新型的脱氨膜工艺，研究其对渗滤液中氨氮的去除效率，意在寻求一种新的去除渗滤液中氨氮的工艺。

1、实验材料和方法

实验所用脱氨系统进水为氯化铵与超滤清液配置的不同浓度梯度的高氨氮废水，COD值为1100mg/L，初始pH为6.5，硬度为558.56mg/L(以碳酸钙计)。实验中所测定的指标及测定方法如表1所示。

实验运行参数为含氨废水适宜pH为11.5，进膜温度不得高于45℃，进水表面张力大于60mN/m，出水压力表达0.1Mpa，酸路进水压力小于0.1Mpa，运行时为0.09Mpa，当氨氮浓度为300~500mg/L时，酸路的pH为2，当氨氮浓度超过1000mg/L后，适宜的酸路pH值为1.0，集成设备处理量为2000L/h。

2、实验结果与讨论

2.1 膜吸收法去除氨氮工艺参数优化

2.1.1 进水pH对氨氮去除效果的影响

脱氨集成装置的设计流量为2m3/h，进水端压力为0.120Mpa，出水端压力为0.102Mpa，酸路压力表为0.090Mpa，酸路pH值为0.12，氨氮初始浓度为3800~4100mg/L，实验温度分别为22~27℃之间，调节进水pH为11.55、11.94和12.94，取反应液测定废水中氨氮的去除率，实验结果如图1。

由图1(a)可看出，进水pH较低时，由于氨氮未能完全变为游离态NH3，需要通过浓度差传质动力来推动脱氨整个过程。随着含氨废水pH的增大，单支膜的去除率明显提升，但含氨废水的pH值不得超过11.5，若长期脱氨废水超过11.5，将会损伤脱氨膜的空间结构，缩短脱氨膜的使用寿命。随着含氨废水经过六支脱氨膜的脱氨处理过程后，pH为11.55、氨氮含量为4100mg/L时，经过六级脱氨之后，出水氨氮的含量为967mg/L，整体去除率达到了76.41%。当pH为12.94时，经六级脱氨之后出水氨氮为362mg/L，氨氮脱除率达到了90.22%。从图1(b)看出，随着pH的上升，单支膜对氨氮的去除率有明显的提高。本实验采用pH值为11.5~12.0进行后续脱氨实验。

2.1.2 氨氮初始浓度对氨氮去除效果的影响

调节氨氮的初始浓度分别为1160mg/L、1750mg/L、2500mg/L、4100mg/L、6130mg/L，原水滤前压力0.218MPa，原水滤后压力0.204MPa，进水端压力0.120MPa，进水端流量2000m3/h，出水端压力0.107MPa，进酸压力0.090MPa，pH为12，温度16.4℃，酸滤前压力0.258MPa，酸滤后压力0.256MPa，酸流量5.3m3/h。实验结果如图2和图3所示。

由图2可以看出，浓度较低时，六支脱氨膜对于氨氮的去除率相比于高浓度废水的氨氮脱除率会高一些，出现的基本特征就是随着废水侧氨氮的浓度升高，去除率呈现下降的趋势，这个原因主要归结于氨在水中的缔合作用。这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分于排列得比较松散，分子的间距比较大。由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。一是缔合水分子中的各单个分子排列有序，二是各分子间的距离变大。所以导致氨氮的去除率呈现降低的趋势。

从图3可以看出，氨氮初始浓度越低，氨氮的累积去除率也越低，一个原因主要是分母基数大原因，另一个原因是上面提到的缔合作用。

在本组实验中，含氨废水经过六支脱氨的处理之后，pH从11.49降低至10.1~10.5之间。由于温度较低，所以5组实验数据表现出的氨氮脱除率均比较低。

2.1.3 温度对氨氮去除效果的影响

调节温度为19℃、28℃、32.6℃、37℃、40.1℃和44.5℃，进水端压力0.120MPa，进水端流量2000L/h，出水端压力0.108MPa，进酸压力0.088MPa，进酸pH为0.12，氨氮初始浓度在3500~4100mg/L之间，酸滤前压力0.258MPa，酸滤后压力0.256MPa，酸流量5.9m3/h，实验结果如图4和图5所示。

由图4可知膜吸收法处理挥发性污染物氨氮时，温度对传质速度的影响是显著的，随原料液一侧温度由19℃增加至45℃，单支膜氨氮的去除率从25%提高至59%。由于温度上升，挥发性物质氨的蒸气分压明显增加，提高了传质推动力，氨氮总体去除率则从82.5%提高到了99%，其中含氨废水的pH从初始的11.8降低至10.5。从图5可看出，当碱含量足够时，升高温度可使累计脱氨效率从80%提升至99.2%。考虑到渗滤液氨氮含量为3000mg/L左右，所以在40.1℃以及44.5℃两个点做初始浓度为3000~3500mg/L范围内的脱氨实验，在40.1℃和44.5℃时经过脱氨膜的各项水质指标以及单支膜的去除率分别见表2和表3所示。

2.2 最佳实验条件下重复性

为了考察脱氨膜脱除氨氮效果的稳定性，在以下的操作参数下进行三组实验来评价该条件下脱氨的稳定性。含氨废水三次重复脱氨实验的单支膜进出水水质以及各单支膜的氨氮去除效率见表4、表5以及表6所示。

从表3、表4和表5可看出，在最优的试验条件下，初始浓度为4100mg/L的含氨废水经六级脱氨膜处理后，氨氮含量可降至50~70mg/L，整体去除率达到98.49%，单支膜的均去除率维持在50%左右。

从实验数据可得出结论为：在温度为44℃左右、氨氮废水的pH为11.6、初始浓度在3200~4000mg/L时，含氨废水的氨氮可降至70mg/L以内，当初始浓度为3200mg/L时，可去除至32mg/L。

2.3 控制药剂成本后氨氮的脱除效率

本着考虑该工艺在工程实践中的实用性，考虑到项目现场在生化阶段每方新鲜渗滤液投加液碱的量为11.25L，本实验考虑将药剂成本控制在30元/t考察膜法吸收脱氨对氨氮的去除情况。本部分共设计两个实验，一个是温度在25℃情况下运行，另一个实验温度44.3℃。结果如下：

实验一反应温度44.3℃，操作运行参数：原水滤前压力0.221MPa，原水滤后压力0.164MPa，进水端压力0.108MPa，进水端流量2000L/h，出水端压力0.102MPa，进酸压力0.088MPa，进酸pH为1.0，酸滤前压力0.258MPa，酸滤后压力0.256MPa，酸流量5.8m3/h；温度44.3℃。

药剂消耗程度如下：碱液投加6L，初始浓度氨氮为3200mg/L。碱耗成本为13.17元/t，酸耗13.26元/t，清洗成本0.2元/t；药剂共计26.43元/t。

本段成本共计26.43+72.91=99.34元/t。

实验结果如下：

从上表7可看出随着pH降低至8.26，氨氮的脱除效率很低，且pH与氨氮的变化趋势相同，部分氨氮透过脱氨膜到达酸侧，消耗了碱，pH降低，在经过六支膜的脱除之后，总的去除率为25.08%。

实验二的反应温度为25℃。操作运行参数：原水滤前压力0.221MPa，原水滤后压力0.164MPa，进水端压力0.108MPa，进水端流量2000L/h，出水端压力0.102MPa，进酸压力0.088MPa，进酸pH为1.0，酸滤前压力0.258MPa，酸滤后压力0.256MPa，酸流量5.8m3/h；温度25℃。

药剂消耗程度：碱液投加6L，初始浓度氨氮为3200mg/L。碱耗成本为13.17元/t，酸耗10.21元/t，清洗成本0.2元/t；药剂共计32.97元/t。(均为工程采购价)

成本共计13.17+10.21=23.38元/t。

实验结果如下表所示：

从上表8可知，在碱耗和温度降低的情况下，氨氮的去除率很低，pH在8.8左右时，单支膜去除率为3%左右，经六支膜去除之后，累计氨氮的脱除效率仅有13%左右。

2.4 铵盐储罐与酸循环的浓度

硫酸铵的浓度为184.66g/L(18%)，铵盐储罐中硫酸铵的浓度难继续提高，原因在于想达到较好的脱氨效果，必须保持酸路pH值在1.0~1.4之间，而酸路的液体主要是从硫酸循环罐中流出，外加补充的新酸降低酸循环罐中的pH，所以硫酸循环罐将会随着脱氨时间的进行达到它的容积负荷，此时需要抽出硫酸循环罐中的一部分的混合液体至铵盐储罐，此时的铵盐储罐中的pH将会是1.7左右。为保证酸路pH，铵盐需要及时抽出。酸循环罐中铵盐的浓度为92.16g/L。

3、结论

(1)当温度达到40~45℃，pH调至11.5之后，单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。当氨氮初始浓度为3200mg/L时，可去除至30mg/L。

(2)从核算的成本来看，氨氮初始浓度为4000mg/L的废水吨水处理成本为171.89元/t，其中电耗占43.72%，液碱占44.4%。

(3)将药剂成本压缩至33元/t之后，在45℃左右的情况下，脱氨成本为105.88元/t，其中，药剂消耗32.97元，电耗72.91元。可将氨氮浓度3270mg/L脱至2450mg/L。整体去除率为25.08%。如果将药剂成本压缩至33元/t，在25℃的状态下脱氨，可从3310mg/L脱至2880mg/L。（来源：维尔利环保科技集团股份有限公司，鞍山市达道湾污水处理有限责任公司）