高浓度氨氮废水处理技术

　　了解超声吹脱原理后，发现其突破点是需要强化它的作用功能，若是想要强化超声吹脱法的气液两相传质，主要有两个途径：一是通过改良处理设备装置结构，以改善气液的两相流动和接触面积;二是通过再次增加不同频率的外场能量与加强与体系内各污染物的相互作用，将污染物的挥发度提高。新思路是向反应溶液中加入药剂，促进超声吹脱解析反应的某个去除环节。雷春生等自制了复合脱氮剂，并申请了相关专利，其处理效果表明，在添加发明药剂的条件下利用相关工艺处理可使废水中的氨氮降至0.2mg/L。通过这一思路可自主配制药剂，节约成本，强化处理效果。

　　本实验的主要内容是模拟氨氮废水，通过复配实验获得一系列具有协同增效作用的表面活性剂复配物，筛选出具有较好增效作用的复配物以及最优的复配比，获得不同情况下表面活性剂复配物的最优组合，然后改变氨氮废水浓度，以最优组合所得复配物为促脱剂，对比氨氮吹脱处理效果。

　　一、实验方案

　　实验主要设计三因素三水平的正交实验计划对策，拟选取的三个因素分别为表面活性剂种类、酯的种类、生成合适促脱剂的复配比。根据正交实验结果分析数据，对各重要因素进行方差和极差分析，得出影响促脱剂作用效能的各重要因素的主次顺序和合适的组合，并对其成因进行简单的分析推测。

　　实验I：三种阳离子表面活性剂与三种酯类物质的复配

　　查阅资料发现，单因素实验得到的氨氮去除的最适条件为最佳pH为12.0和最佳温度为50℃，在此条件下，分别取三种增效作用较好的阳离子表面活性剂(TTAB、CTAB、STAB))在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下复配三种酯类(乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯)，作为脱氮剂超声处理，处理浓度约为1000mg/L的高浓度模拟氨氮废水，采用三因素三水平正交实验。

　　实验II：三种阴离子表面活性剂三种酯类物质的复配

　　在pH为12.0和温度为50℃的条件下，分别取三种增效作用较好的阴离子表面活性剂(STBS、SHBS、AOS)在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下复配三种酯(乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯)，作为脱氮剂超声处理浓度约为1000mg/L的高浓度模拟氨氮废水，使用三因素三水平正交实验方案。

　　实验III：阴阳离子表面活性剂之间的复配搭配

　　在pH为12.0和温度为50℃的条件下，分别取三种增效作用较好的阳离子表面活性剂(TTAB、CTAB、STAB)在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下与三种阴离子表面活性剂(STBS、SHBS、AOS)复配，作为脱氮剂超声处理浓度约为1000mg/L的高浓度模拟氨氮废水，采用三因素三水平正交实验。

　　二、结果与讨论

　　2.1阳离子表面活性剂的复配实验结果分析

　　因单纯筛选需要放大其功能效果，表面活性剂用量较大，在复配实验中则是利用主材料为低浓度的表面活性剂为主，再以实验设计的复配比复配一定体积的酯类，将模拟氨氮废水与复配好的促脱剂放置反应器中进行反应，记录吸光度后计算出的剩余氨氮浓度和氨氮去除率。

　　(1)阳离子表面活性剂与不同复配物复配超声吹脱去除氨氮的分析，如表1。

　　正交实验，通过复配阴离子表面活性剂与酯类，进一步提高超声吹脱的性能。由表1可知，与阴离子表面活性剂和酯类的效果有所差别，阳离子复配阴离子表面活性剂氨氮的去除效率最低为45.78%，阳离子表面活性剂复配酯类氨氮的去除效率最小值为51.53%，说明复配酯类氨氮的去除效率的最小值更高。阳离子复配阴离子表面活性剂氨氮的最高去除率为60.07%，阳离子表面活性剂复配酯类氨氮的最高去除率为74.48%，也是与酯类复配的去除率更高。通过将两种复配组合对氨氮的去除效率进行方差分析，由F>F临界(0.01)知，两组数据存在显著性差异，从而更加说明了阳离子表面活性剂与酯类搭配对比阴离子表面活性剂搭配作为促脱剂对去除废水中氨氮的增能、增效作用更凸显。

　　(2)阳离子表面活性剂与酯类复配分析，如表2。

　　从表2中的数据可比较出，阳离子表面活性剂与酯类复配后强化了超声吹脱的作用性能，废水中氨氮的去除效率均在50%以上，最低的去除率为51.53%，最大去除率为74.48%，其平均对于氨氮的去除率可达到62.32%，而复配前氨氮去除率一般都在60%以下，只有AOS与STAB处理可达到60%的去除效率。可见酯类的添加活化了表面活性剂的性能，提高了表面活性剂的功能性，让超声吹脱的增能增效作用更加明显，与相关的理论相符，即复配物的一些性能比其本身更为优越，如酯类可活化表面活性剂，促使表面活性剂具有更容易降低废水表面张力的能力。

　　(3)各因素对促脱剂影响的主次顺序分析，如表3。

　　根据正交实验所得数据，进一步分析表3，影响促脱剂活性的三个主要因素为：表面活性剂种类、酯类和复配比。分析数据并对比发现，对氨氮去除率影响的主次顺序为：表面活性剂的种类>复配比>复配物酯类。其中表面活性剂的三个水平(TTAB/CTAB/STAB)中的优水平为A3，即STAB。由此看出，实验所选三种表面活性剂中STAB对超声吹脱去除氨氮加强能力的拔高。

　　复配物酯类的三个水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中的优水平为B2，即乙酸丁酯;复配比的三个水平(1∶1，3∶4，3∶2)中优水平为C3，即3∶2，从而可得最优组合为A3B2C3，即乙酸丁酯与STAB的质量比为3∶2的时候搭配混合作为脱氮剂为本正交实验中最优良的促脱剂。

　　以实验规划的三因素水平为横坐标，实验指标-氨氮去除率的平均值为纵坐标绘制图1，由图1可看出，对于欲合成的促脱剂的三个水平而言，氨氮的去除率随着碳数的增多而逐渐提高。

　　复配物酯类的三个水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中乙酸丁酯对表面活性剂超声吹脱去除氨氮的增效增能作用最为显著，其次是乙酸乙酯和甲酸乙酯;复配比的三个水平分别是1∶1，3∶4，3∶2，其中好的作用效果水平是为3∶2，其次是3∶4，最后则是1∶1，可得出复配物与表面活性剂的比例大于1搭配关系作为促脱剂处理氨氮的增效作用更为明显。

　　2.2阴离子表面活性剂复配实验结果分析

　　向反应器中按照25mg/L的浓度分别投加三种资料中在单因素实验中增效作用较好的阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂，再以实验设计的复配比复配一定体积的酯类，将模拟氨氮废水与复配好的促脱剂放置反应器中进行反应，测得吸光度后，计算出剩余氨氮浓度和氨氮去除率并记录。

　　(1)阴离子表面活性剂与不同复配物复配超声吹脱去除氨氮的分析，如表4。

　　阴离子表面活性剂分别与酯类复配作为促脱剂对氨氮进行处理，与阳离子表面活性剂超声吹脱的去除效率的最小值为45.78%;与酯类搭配处理的去除效率最小值为55.03%，对比数据明显看出，后者的效果更优良，且平均去除率达65.18%。阴离子表面活性剂与阳离子表面活性剂搭配，最高去除率为67.03%，复配酯类的最高去除率可到达为77.17%，对比明显与酯类搭配效果更优。同时通过将两种复配组合对氨氮的去除率进行方差分析。由F>F临界(0.01)知，两组数据存在显著性差异，说明阴离子表面活性剂与酯类复配优于阴、阳离子表面活性剂复配作为促脱剂对超声吹脱去除氨氮增效增能的作用更明显且更稳定。

　　(2)阴离子表面活性剂与酯类复配分析，如表5。

　　由表5可知，在复配了有机物酯类之后，氨氮吹脱去除效率基本都在65%以上，其中最高去除率为77.17%，最低为55.03%，平均值为65.18%。同阳离子表面活性剂与酯类复配的数据相比较，阴离子表面活性剂与酯类搭配更加稳定，其氨氮的去除率偏差不大，即使它们的复配比不同，但都具有很好的协同超声吹脱作用。

　　(3)各因素对促脱剂影响的主次顺序分析，如表6。

　　由表6可知，三个因素中对氨氮去除率影响的主次顺序为：表面活性剂>复配比>酯类。其中表面活性剂的三个水平对氨氮去除率影响的主次顺序为：AOS>SH⁃BS>STBS，其中的优水平为A2，即AOS，对吹脱去除氨氮增效是所选阴离子表面活性剂中最好的，说明酯类对表面活性剂的性能有很好的活化功能。

　　复配物酯类的三个水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中的优水平为B1，即乙酸乙酯，与阳离子表面活性剂复配实验所得结论不同，可因数据对比推断在所选三种酯类中乙酸丁酯对表面活性剂吹脱去除氨氮的增效增能的作用最好，极有可能因为阴阳离子表面活性剂性质上的差异导致与不同的复配物产生了不同的效果。复配比的三个水平(1∶1，3∶4，3∶2)中优水平为C2，即3∶4，可初步推断酯类与阴离子表面活性剂以小于1的比例复配作为脱氮剂，对氨氮的脱除效果更为显著，由此可得最优组合为A2B1C2，从而根据正交实验具有代表性和综合可比性的特征，可初步推断乙酸乙酯与AOS的质量比为3∶4时搭配作为促脱剂，是本研究所需要的最恰当、高效的促脱剂。

　　设计的因素水平为横坐标，实验指标-氨氮去除率的平均值为纵坐标绘制图2，由图2可看出，对阴离子表面活性剂的三个水平，氨氮去除率随着碳数的增加而增加;对于复配物酯类的三个水平分别是乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯，处理氨氮的工艺水平的去除率表现为先降后升，其中乙酸乙酯与阴离子表面活性剂的复配对吹脱去除氨氮的增效增能的作用最明显，其次则是乙酸丁酯和甲酸乙酯;复配比的三个水平(1∶1，3∶4，3∶2)中的最优对比水平为3∶4，其次为3∶2和1∶1，可初步推断复配物与阴离子表面活性剂以小于1的比例复配作为脱氮剂对氨氮脱除的增效作用更为显著。

　　2.3阴阳离子表面活性剂复配的实验结果分析

　　以上阴、阳离子表面活性剂的复配实验中，都有表面活性剂本身的复配与运用，其分析如表7。

　　由表8可见，F<f0.05，可见阴阳离子表面活性剂的种类及其复配比对氨氮去除效果均无显著影响，进而用极差进行直观分析，由表9可发现，阳离子表面活性剂的种类对氨氮去除率影响最大，其次为阴离子表面活性剂种类和复配比。< p="">

　　阳离子表面活性剂的三个水平(TTAB/CTAB/STAB)中的优先水平为A2，即CTAB;阴离子表面活性剂的三个水平(STBS/AOS/SHBS)中的优水平为B1，即STBS;复配比的三个水平(1∶1，3∶4，3∶2)中优水平为C2，即3∶4，可得最佳的组合为A2B1C2。从而根据正交实验具有代表性和综合可比性的特征可初步推断出，STBS与CTAB以3∶4的质量比复配即为本正交实验的最优搭配组合。

　　以实验设计的各因素水平为横坐标，实验指标-氨氮去除率的平均值为纵坐标绘制图3，由图3可看出，对于阳离子表面活性剂的三个水平而言，氨氮去除率随着碳数的增多而提高，其中CTAB为阳离子表面活性剂的最优水平，因此CTAB的增效作用是所选几种阳离子表面活性剂中最好的。

　　对阴离子表面活性剂的三个水平而言，STBS为阴离子表面活性剂的最优水平，因此STBS对吹脱去除氨氮的增效作用是所选几种阴离子表面活性剂中最好的，也是表面活性剂选择中最优的。复配比的三个水平(1∶1，3∶4，3∶2)中优水平为3∶2，其次为3∶4和1∶1，说明阴阳离子表面活性剂以大于1的复配比复配对吹脱去除氨氮的增效作用更显著。

　　三、结论

　　本实验分别以复配前后的表面活性剂混合溶液做为脱氮剂，对比氨氮去除率，发现表面活性剂在复配了一定量有机物或不同类表面活性剂后，对氨氮去除的增效作用更为显著。复配组合中的最优组合：a.阳离子表面活性剂与酯类复配的最优组合：乙酸丁酯与STAB以3∶2的质量比搭配;b.阴离子表面活性剂与酯类复配的最优组合：乙酸乙酯与AOS以3∶4的质量比搭配;c.阴阳离子表面活性剂复配的最优组合：STBS与CTAB以3∶4的质量比搭配。

　　最后选用促脱剂是乙酸乙酯与AOS以3∶4的质量比的搭配，其促进超声吹脱的氨氮去除率最高为77.17%;最优组合所得复配物为脱氮剂处理不同浓度的氨氮废水，可发现氨氮浓度的高低对投加促脱剂的超声吹脱效率的影响不大。

　　加在运行周期中可使设备的耐磨防腐性更优。因此在超声吹脱法-吸附的基础上投加促脱剂来减少氨氮污染排放的方法是切实可行的，且处理环境的需求同单纯工艺处理相比需求更低，更加经济环保。（来源：苏州市宏宇环境科技股份有限公司常州分公司；常州大学环境与安全工程学院）