直接空气吹脱法去除废水中氨氮的初步研究

发布时间：2021-04-13 16:32所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要该文将初步阐明直接空气吹脱法去除废水中氨氮的原理，并评估关键操作因素对该方法去除氨氮效率的影响。实验中分别以天然沼液及人工配置废水为实验对象，通过检测直接空气吹脱处理前后体系的pH、碱度及氨氮浓度的变化，提出和验证假设，并评估以上因素对

　　摘要该文将初步阐明直接空气吹脱法去除废水中氨氮的原理，并评估关键操作因素对该方法去除氨氮效率的影响。实验中分别以天然沼液及人工配置废水为实验对象，通过检测直接空气吹脱处理前后体系的pH、碱度及氨氮浓度的变化，提出和验证假设，并评估以上因素对直接空气吹脱法去除氨氮的影响。结果表明，碳酸氢根的分解反应及随后碳酸根的水解反应是直接空气吹脱法去除氨氮的理论基础。降低操作压力、升高处理温度、增加通风量，均可提高该方法的脱氨效率。50℃，通风量16vvm，处理1h时，废水中氨氮从533.6mg/L下降到193.9mg/L，下降63.7%。该方法可以应用于含有碳酸氢根的氨氮废水的脱氨处理，且无需添加碱试剂。废水中碳酸氢根的浓度决定了本方法的脱氨效率。

　　关键词氨氮;厌氧消化废水;空气吹脱;沼气发酵;分解反应;水解反应

　　使用清洁、可再生能源替代化石能源可以达到改善能源结构、降低碳排放、改善空气质量等目的。燃料乙醇和生物质天然气是2种具有大规模替代汽油消耗潜力的可再生能源，并且已经得到广泛应用。对于这两种生物质能源来说，其主要的生产方式都可以归为液态深层发酵技术(通常固形物含量小于15%)，都面临着污水生产量大、污水处理成本高的难题。提高反应物浓度、增加废水循环量，是解决污水问题的有效方法。

　　针对木薯酒精生产，江南大学毛忠贵教授及张成明博士创造性地提出了“乙醇-沼气双发酵耦联工艺”，率先实现了沼液在酒精发酵系统的回用，降低了污水处理成本[1-2]。在耦联工艺中，设置了一个沼液资源化操作单元，该单元的目的在于确保沼液性质的稳定性以及整个工艺的运行稳定[3-4]。前期实验发现，在沼液资源化操作单元对沼液直接进行空气吹脱即可实现对其中氨氮进行有效去除，并且这一实验现象在对不同来源的沼液中均得以证实。这与典型的含氨氮废水的空气吹脱法十分相似，但又有显著不同。在典型空气吹脱法中，需要通过添加石灰乳来调节进水pH至碱性，以增加进水氨氮中NH3的比例。然后在空气吹脱作用下，利用NH3在气液两相间的平衡进行NH3的脱除。

　　2种空气吹脱法最大的区别在于是否需要添加碱试剂。为了区分这2种方法，根据是否需要加碱试剂将2种方法分别称为直接空气吹脱法(不加碱)和典型空气吹脱法(加碱)。从已有文献上看，还未有学者对直接空气吹脱法的实验现象和原理进行阐述。 从应用角度看，随着2015年我国开始进行大型沼气工程建设与推广，沼液问题变得日益突出。如何对沼液进行有效回用成为很多工程需要面临的问题。其中，沼液中氨氮浓度过高是造成沼液回用比例低的主要原因之一。

　　此外，当采用含氮量较高的原料为底物时，即使不采用沼液循环工艺，随着厌氧消化过程的进行，由底物释放的大量氨氮也会对沼气发酵产生抑制。广大学者围绕氨氮对厌氧消化过程的抑制机制及调控方法进行了大量工作[5-11]。本文研究内容可以作为高浓度氨氮去除的一种辅助方案。本文首先对直接空气吹脱法去除沼液中氨氮的原理进行了阐述，其次对影响空气吹脱法的关键因素如真空度、温度、通风量进行了考察，以评估这些因素对直接空气吹脱法去除氨氮的影响。

　　1材料与方法

　　1.1试剂实验采用试剂为常规试剂，NaHCO3、(NH4)2SO4、NaOH、浓盐酸等，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。实验中使用的溶液(L)：NaHCO333.6g，(NH4)2SO411.8g。使用前按1:5稀释。稀释后，碱度4000mgCaCO3/L，氨氮500mg/L。

　　1.2仪器SX-25-1马弗炉，北京市光明医疗仪器有限公司;101-1ES电热鼓风干燥箱，北京市永光明医疗仪器有限公司;DZKW-S-8电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器有限公司;BSA124S电子天平，北京赛多利斯天平有限公司;SHZ-DⅢ真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司。

　　1.3实验方法

　　1.3.1空气吹脱操作按需要配置含有特定浓度碱度和氨氮的溶液，置于1L量筒中，在水浴条件下进行通气处理，温度根据实验确定，通过水浴锅控制。气体由空气压缩机提供。用去离子水配置特定浓度的碱度或氨氮溶液。碱度浓度通过添加NaHCO3控制，氨氮浓度通过添加硫酸铵控制。通过真空泵实现空气吹脱操作中的负压操作。

　　1.3.2分析方法pH利用pH计测定。氨氮采用水杨酸-次氯酸盐光度法[12]、碱度测定采用滴定法[12]。

　　2结果与讨论

　　2.1直接空气吹脱法的理论分析

　　前期实验发现，沼液(厌氧消化)经过空气吹脱处理后，会出现沼液pH上升、氨氮减少、空气中有明显氨味，以及碱度降低的现象。这些现象在不同来源的沼液中均得到验证，包括酒精废水、禽畜粪污、秸秆等有机废弃物经沼气发酵后得到的沼液。实验中，对沼液经过空气吹脱前后的指标进行了检测。

　　经过空气吹脱处理后，厌氧出水的pH由8.23上升至9.8，碱度和氨氮分别由4400mgCaCO3/L和587mg/L下降至3025mgCaCO3/L和34mg/L，下降幅度分别为31.3%和94.2%。实验中，碱度下降、pH上升、有氨气逸出(实验过程中可以闻到明显的氨味)是最直观的现象。基于HCO3-是构成厌氧出水碱度主体的事实，因此，对于直接空气吹脱法实验现象的解释就集中在如何解释系统中HCO3-的消失。针对这一点，我们提出了以下两种假设。

　　假设一：HCO3-发生水解反应形成H2CO3(公式1)，然后H2CO3发生分解(公式2)，CO2在空气的吹脱作用下逃离体系;假设二：HCO3-在空气吹脱过程发生分解反应生成CO2和CO32-(公式3)。CO2在空气吹脱的作用下逸出体系，CO32-发生水解，释放出OH-(公式4)，造成体系的pH上升。

　　2.2影响直接空气吹脱法去除废水中氨氮的因素直接空气吹脱法和典型空气吹脱法的主要区别在于体系pH上升的理论基础不同，但是在体系氨氮去除方面的理论则是一致的。换句话说，影响典型空气吹脱法去除氨氮效率的因素，如真空度、温度、通风量等，对于直接空气吹脱法同样适用[15-16]。结合文献报道，我们考察了以上因素对直接空气吹脱法去除氨氮的影响。

　　2.2.1真空度对空气吹脱法脱氨的影响为了避免高温对NaHCO3分解造成的影响，实验温度设置在11℃。实验过程中没有进行通气，以避免通气对NH3去除的影响。实验对象为用NaHCO3及(NH4)2SO4配置的水溶液，碱度为4000mgCaCO3/L，氨氮浓度为500mg/L，实验分别在0.01、0.03、0.05、0.07以及0.09MPa的真空度下进行。

　　2.2.2通风量对空气吹脱法脱氨的影响通风是空气吹脱法去除氨氮的核心操作。实验中，在常压及50℃时考察了不同通风量(0.25、0.5、1、2、4、8及16vvm)对直接空气吹脱法脱氨的影响。温度设置主要是考虑到木薯酒精废水处理通常采用高温厌氧消化工艺(50~55℃)。而针对其它来源的废水，需要根据具体工艺来选择脱氨温度以减少能量投入或者整个工艺的脱氨成本。此外，厌氧消化废水在通风时容易产生大量的泡沫，且不易破碎，根据预实验的实验现象，本文最高的通风量设置为16vvm。

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　　3结论

　　本文证实了对于含有碳酸氢根的含氮(氨氮)废水来说，在不加碱的情况下，采用直接空气吹脱法去除氨氮是完全可行的。体系中HCO3-的分解反应以及随后CO32-的水解反应是这一过程得以顺利进行的理论基础。降低操作压力、升高处理温度、增大通风量均可以强化直接空气吹脱法去除氨氮的效率。在实际应用中，应根据废水性质及实际情况来确定合理的工艺条件。从理论上说，在给定初始条件的状态下(如各种离子浓度)，就可以通过理论计算获得直接空气吹脱法的最高脱氨效率。这将会给工艺设计带来极大方便，这方面的研究将在后续开展。此外，由于篇幅所限，本文对直接吹脱法去除氨氮的解释更多地停留在定性阶段，在随后的研究中，我们将从定量的角度进行分析。

　　参考文献

　　[1]张成明，翟芳芳，张建华，等.木薯酒精生产中厌氧消化液的回用工艺研究[J].安徽农业科学，2008，36(17)：7417-7420.ZHANGCM,ZHAIFF,ZHANGJH,etal.Studyontherecyclingprocessofanaerobic-digestedalcoholeffluentincassavaethanolfermentation[J].JournalofAnhuiAgriculturalScience,2008,36(17):7417-7420.

　　[2]ZHANGCM,MAOZG,WANGX,etal.Effectiveethanolproductionbyreutilizingwastedistillageanaerobicdigestioneffluentinanintegratedfermentationprocesscoupledwithbothethanolandmethanefermentations[J].Bioprocess&BiosystemsEngineering,2010,33(9):1067-1075.

　　[3]刘慧慧，姜立，张成明，等.“酒精沼气双发酵耦联工艺”中硫化物对酒精发酵的影响[J].食品与发酵工业，2012，38(5)：22-26.LIUHH,JIANGL,ZHANGCM,etal.Effectofsulfideonethanolfermentationinthe“ethanolmethanecoupledfermentations”process[J].FoodandFermentationIndustries,2012,38(5):22-26.

　　[4]杨西昭，毛忠贵，王柯，等.木薯燃料乙醇沼气双发酵耦联工艺中氨氮的调控[J].食品与发酵工业，2012(12)：55-58.YANGXZ,MAOZG,WANGK,etal.Regulationofammonianitrogeninacassava-basedethanol-methanecoupledsystem[J].FoodandFermentationIndustries,2012(12):55-58.

　　作者：张成明1,2，董保成3,4，张建华5，刘晓玲6，白耀博1，杨英歌1，刘洁1，李十中2

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