城市污水氨氮吹脱试验报告.docx

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城市污水氨氮吹脱试验报告

第一章废水和城市污水脱氮工艺概述

1.1前言

随着人类活动的不断增加，环境资源的不断改变，水体氮污染日趋严重。

据统计，我国主要湖泊因氮、磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56%之多。

水环境与污水中氮的来源及进入水环境的方式见表1-1。

氮污染的主要危害为:

使水体正常溶解氧平衡遭受干扰，并进一步促使水质恶化;

影响水源水质，增加水处理负担;

加速水体的富营养化过程;

含氮化合物对人和生物有毒害作用;

使水体感官性状恶化，从而降低水体美学价值。

表1-1氮的来源及进入水环境的方式

氮的来源

进入水环境方式

氮的来源

进入水环境方式

污水厂出水

直接排放和灌溉

船舶等交通工具

直接排放

工业生产

污水排放、进入地下水

非市区径流

直接排放

未经处理污水

直接排放

化石染料

降水、风及重力沉降

火山活动

降水、风和重力

天然固氮作用

就地

农业施肥

地表径流和地下水活动

土壤和地壳运动

风和重力沉降

动物废弃物

挥发、降水和地表径流

垃圾填埋渗滤液

地下水运动

动植物残体腐败

地表径流和地下运动

化粪池浸滤液

地下水运动

污水处理厂污泥

直接废弃或农用

引起环境污染的氮存在方式主要有NH3-N、有机氮、NO2-、NO3-。

因此，对废水脱氮处理的研究显得尤为重要。

1.2国内外废水脱氮技术

国内外对转化和去除废水中的氮进行了大量的工作，尝试并运用了各种可行的方法。

除氮方法可分为三大类：

物理脱氮、化学脱氮和生物脱氮。

但若应用于实际的废水处理工程中，必须具备应用方便、处理性能稳定、适应于废水水质及比较经济的特点。

因此，目前废水脱氮实用性较好的技术为：

生物脱氮法

氨吹脱、汽提法

折点氯化法

选择性离子交换法

化学中和、沉淀法。

下面对这些方法做简单的介绍。

1.2.1生物脱氮

生物脱氮通常包括生物硝化和生物反硝化。

生物硝化是在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程。

如果反应完全，氨氧化成硝酸盐分两阶段完成：

开始，在亚硝酸菌的作用下使氨氧化成亚硝酸盐，亚硝酸菌属于强好氧性自养细菌，利用氨作为其唯一能源；第二阶段，在硝酸菌的作用下，使亚硝酸盐转化为硝酸盐。

2NH4-+3O2→2NO2-+2H2O+4H+

2NO2-+O2→2NO3-

NH4-+2O2→NO3-+2H-+H2O

硝化最佳pH值为8.4，当pH在7.8～8.9范围时，为最佳速度的

90%。

当温度从5℃提高到30℃时，硝化速度也随之不断增加。

反硝化就是在缺氧条件下，由于反硝化菌的作用，将NO2-和NO3-还原为N2的过程。

其过程的电子供体是各种碳源，若以甲醇作碳源为例，其反应式为:

6NO3-+2CH3OH→6NO2-+2CO2+4H2O

6NO2-+3CH3OH→3N2+3CO2+3H2O+6OH-

对于硝化反应，温度对其影响比其它生物处理过程要大些，一般温度应维持在20-40℃为宜。

生物脱氮工艺流程的三种基本类型见图1。

图1生物脱氮工艺流程的三种基本类型

用生物法处理含氨氮废水时，有机碳的相对浓度是考虑的主要因素，维持最佳碳氮比也是生物处理法成功的关键之一。

若废水性质不宜直接进行生物处理，则采用物化法或物化一生物联合法达到排放要求较为经济。

生物脱氮可去除多种含氮化合物，其处理效果稳定，不产生二次污染，但有占地面积大、低温时效率低、易受有毒物质影响且运行管理比较麻烦等缺点。

1.2.2吹脱、汽提法

吹脱法

吹脱法是用来脱除废水中的溶解性气体和某些极易挥发的溶质，也可脱除化学转化而成的溶解气体。

其实质是：

让废水与空气充分接触，使水中易挥发性溶质和溶解气体穿过气液界面，向气相扩散；若把解析的污染物收集，可以将其回收或制取新产品。

汽提法

汽提法的去除对象是废水中挥发性溶解物质，它是借助废水与通入蒸汽的直接接触，使废水中的挥发性物质按照一定的比例扩散到气相中，因而把挥发性物质从废水中分离出去

吹脱法与汽提法在去除对象、手段、操作条件等方面均存在显著差异。

如表1-2。

表1-2吹脱法与汽提法的主要差别

主要脱除对象

手段

操作条件

吹脱法

溶解性气体与

易挥发性物质

空气吹脱

可在常温下与吹

脱池或塔中进行

汽提法

挥发性物质

蒸汽蒸馏或蒸汽直接加热

在较高温度下，在

密闭的塔内进行

本试验采用的就是吹脱法。

其氨吹脱的介绍见2.2。

1.2.3折点氯化法

折点氯化法是投加适量的氯或次氯酸钠，使废水中氨完全氧化为N2的方法，其反应式为：

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

当氯气通入废水中达到某一点，在该点时水中游离氯含量最低，而氨的浓度降为0。

当Cl2通入量超过该点时，水中的Cl-就会增多。

因此，该点为折点。

折点氯化法处理后的出水在排放前一般用活性炭或与O2进行反氯化，以去除水中残余的氯。

此法用于废水的深度处理，脱氮率高，设备投资少，反应迅速完全，并有消毒作用，但液氯安全使用和贮存要求高，对pH要求也很高，产生的水需加碱中和，处理成本高。

1.2.4离子交换法

选择性离子交换法是在离子交换柱内借助于离子交换剂上离子和废水中的NH4+进行交换反应，从而达到废水脱氮的目的。

此法的特点是NH4+的去除率高，设备简单、操作易于控制。

通常对含10-50mg/l的NH3-N废水去除率可达93％－97％。

缺点是离子交换剂用量较大，交换剂需要再生且再生频繁；交换剂的再生液需再次脱氨氮。

1.2.5超重力吹脱

超重力脱氮是借助超重力机而对废水中的氨氮起到去除效果。

其实质是超重力机起着空气吹脱塔或蒸汽汽提塔的作用。

超重力技术是目前国际上竞相开发的一种新的高效传质技术，其效率较传统塔设备高1-2个数量级。

其技术特点为：

a.传质系数大幅度提高，在气液比为传统吹脱法1/4左右时即可达到同样的吹脱效果，降低了运行了费用，吹脱后空气中氨的浓度高，易于回收利用；

b.气液在床层中的流速加快，污垢及好氧菌和藻类不易沉积在填料层中；

c.由于传质过程的强化，使得设备体积缩小，重量减轻，设备及基建费减少；

d.过程放大容易，开车、停车时间短，在数分钟就能达到稳定运行，更适合间断氨氮废水排放的处理。

超重力脱氮目前在国内报道较少。

超重力脱氮对超重力机的要求很高。

1.2.6化学沉淀法脱氮

化学沉淀法从20世纪60年代就开始应用于废水处理，随着对化学沉淀法的不断研究，发现化学沉淀法最好使用H3PO4、和MgO。

其基本原理是向NH4+废水中投加Mg2+和PO43-，使之和NH4+生成难溶复盐MgNH4PO4·6H2O（简称MAP）结晶，再通过重力沉淀使MAP从废水中分离。

此法可处理各种浓度的氨氮废水，工艺较简单，尤其适合于高浓度氨氮废水的处理。

但该法所需沉淀剂的投药量较大，若要广泛应用于工业废水处理，尚需解决以下两个问题:

寻找价廉高效的沉淀剂;

开发MAP作为肥料的价值。

1.3城市污水脱氮处理工艺

城市污水包括工业废水和生活污水。

工业生产中排放的废水中，含有大量的氮，尤其是化肥、焦化、洗毛、制革、印染、食品、石油精炼及煤加工工业废水中，氮的含量较高。

生活污水是人们日常生活中产生的各种污水的混合液，其中包括厨房、洗涤室、浴室等排出的污水和厕所排出的粪尿污水等。

其来源除家庭生活污水外，还要各种集体单位、公用事业单位排出的污水。

随着人口在城市和工业区的集中，城市生活污水已成为继工业废水之后的另一类引起水体污染的重要污染源。

由于生活水平的提高，现在生活污水中特别是小区生活污水中的氨氮含量有明显的升高趋势。

如一生活小区的废水水质见表1。

表1生活小区的废水水质

COD（mg/l）

BOD（mg/l）

NH3-N（mg/l）

色度

280－380

183－240

85－115

105－220

100－250

目前，用在城市生活污水中的生物脱氮工艺主要有以下这些：

A/O法、A2/O法、CAST工艺（循环活性污泥法）、OCO工艺、MSBR工艺（改良式序列间歇反应器、卡鲁塞尔（carrousel）氧化沟法、SBR工艺、ASBR法、HSMBR（复合淹没式膜生物反应器）、潜流型人工湿地污水系统等。

另外，部分物理和化学脱氮工艺也用于生活污水的脱氮中，如折点氯化法和离子交换法，但相关报道和研究较少。

第二章研究内容与目标

2.1本项目开展的目的

在城市生活污水处理中，经过生物处理后，BOD的去除率可达90％以上，COD的去除率可达80％以上。

废水中大部分指标能达到国家排放标准。

但NH3-N一直是达标排放的难点，而国家对NH3-N排放的要求越来越严格。

当生物脱氮还不能满足严格的水质排放标准或者该污水不适合用生物法脱氮时，就必须寻找其它的物理或化学的脱氮方法进行脱氮，使污水达到国家排放标准。

国家排放标准见表2。

表2国家生活污水排放标准

项目

类别

COD

（mg/l）

BOD

（mg/l）

NH3-N

（mg/l）

P以磷酸盐计（mg/l）

一级标准

6～9

0.5

二级标准

120

6～9

1.0

2.2氨氮吹脱法处理工艺

2.2.1基本原理

该法主要利用氨氮的气相浓度和液相浓度之间的气液平衡关系进行分离的。

以浓度为x的氨水为例。

当温度一定时，其平衡分压为（或平衡气相NH3浓度为Y′），设氨-空气混合气体中NH3的分压为P（氨在气相中的浓度为Y），则：

P>P′（或Y>Y′）气相中的NH3融入液相，常称此过程为氨的吸收过程；

P=P′（或Y=Y′）此时气、液两相的氨处于平衡状态。

而在不同的压力、不同的温度下，氨在水中的溶解度是不一样的。

同一压力下，温度越高，氨的溶解度越小；同一温度下，压力越大，氨的溶解度越大。

因此要脱除水中溶解的氨就有两个途径：

其一是降低氨在液面上的分压，如吹脱；其二是提高水的温度，如用水蒸汽进行气提。

从废水中解析的气体总量可用下式表示：

G＝KFt（C0－C）（1-1）

式中G：

t时刻内逸处液面的NH3总量；t：

解析时间；

C0：

气体在废水里的实际浓度；K：

解析常数；

C：

NH3在废水里的平衡浓度；F：

传质面积

由式（1-1）可知，增大解析量的途径如下：

a.扩大接触面积F，如采用喷水、鼓泡、装设填料等；

b.延长接触时间t，如增加塔高、装填料等；

c.增大解析系数K，如增加相对流速，减少气液两膜的阻力；

d.增大浓度差（C0－C），如增加气液比、采取逆流方式、升高温度及降低分压等。

另外，NH3溶解在水中呈下列反应：

NH3+H2O＝NH4+＋OH一

因此，可以通过调高pH来打破这个平衡，使水中的NH3的组分更多。

氨吹脱就是在较高pH的条件下，使空气与含NH3-N的废水接触，使溶解于废水中的NH3-N从废水传递到空气的解析过程。

在吹脱过程中由于不断排出气体，改变了气相中的氨气浓度，使其实际浓度始终小于该条件下的平衡浓度，从而使废水中溶解的氨不断的转入气相，废水中的NH3-N得以脱除。

2.2.2典型氨氮吹脱的工艺流程

典型氨氮吹脱的工艺流程见图2。

废水经氨氮吹脱塔吹去氨氮后，再通入二氧化碳使石灰乳生成碳酸钙沉淀下来，并使水中的pH值下降。

碳酸钙沉淀物经脱水后回收。

2.2.3影响氨吹脱效率的因素

影响氨吹脱塔的因素有很多，主要包括以下一些方面：

氨吹脱装置本身的结构；

吹脱填料的类型及性能；

废水的pH值的大小；

吹脱的水力停留时间；

废水的温度及大气的温度；

吹脱装置的水力负荷比；

吹脱时的气水比；

与废水本身的成分有很大关系，如废水中油类物质会阻碍水中挥发性物质向大气扩散，而且会阻塞填料，影响吹脱。

2.3研究内容与目标

2.3.1研究内容

本试验从以下各方面讨论对吹脱效率的影响：

填料塔的结构、填料塔的布水方式；

填料的类型；

进水pH的大小对吹脱效率的影响；

水温和气温对脱氮效率的影响；

水力负荷的影响；

污水原始氨氮浓度的影响

寻找最适合空气吹脱去除生活污水中NH3-N的最优化工艺条件。

另外，对吹脱尾气处理及吹脱塔结垢问题的处理进行了探讨。

2.3.2研究目标

吹脱法是一种在工业废水脱氮处理中较为成熟的处理工艺，在国内外有很多的工程实例。

但在国内未见有在生活污水中进行吹脱脱氮试验和研究的相关报道。

本课题要达到的研究目标是：

对那些用生物脱氮还不能满足严格的水质排放标准或者不适合用生物法脱氮的生活污水，寻找一种在技术上和经济上都可行的脱氮方法，使污水能达标排放。

第三章试验情况及结果讨论

3.1城市污水水质及分析

3.1.1污水水质

某城市污水的水质情况见表3-1。

表3-1水质情况表

CODcr

（mg/l）

BOD5

（mg/l）

NH3-N

（mg/l）

水温

（Cº）

100～160

50～60

70～90

90～100

<60

6～9

15～16

3.1.2水质分析

该水NH3-N含量较高，且COD/NH3-N的值在1～1.5范围内，TN/BOD5在1～2范围内，都远远低于生物脱氮的要求。

因此，必须寻找物理或化学的方法来去除废水中的NH3-N，使该生活污水中的NH3-N达到国家排放标准。

3.2吹脱装置的选择

液相介质脱氨的方式有很多，用于废水处理上的一般有空气吹脱法和蒸汽蒸馏法，使用的脱氨装置多种多样。

常见的脱氨装置特性比较见表3-2。

目前，在实际工程上应用的氨吹脱塔有逆流塔和横流塔两种型式。

逆流塔是空气由塔底引入，污水由塔顶进入吹脱塔；而在横流塔中，空气是通过填料的整个高度由侧面吸进，污水也是从塔顶喷淋向下流动，实践证明，逆流塔优于横流塔。

我们采用填料式的空气吹脱塔，布水方式为逆流。

表3-2脱氨装置的特性比较

脱氮

装置

曝气吹脱池

空气吹脱塔

蒸汽蒸馏塔

冷却通分塔

板式塔

填料塔

运行

方式

供气方式多样，

间歇运行

轴流风机供气吹脱，连续运行

离心风机供气吹脱，连续运行

锅炉提供蒸汽蒸馏，连续运行

技术

特点

效率低，装置结构简单，运行管理方便，费用高

效率低，装置结构简单，运行管理方便，费用低

效率高，装置结构较复杂，运行管理不方便，费用高

效率高，装置结构较简单，运行管理较方便，费用低

效率高，装置结构复杂，运行管理不方便，费用高

适用

条件

处理量小，

氨氮浓度低

处理量大，氨氮浓度高

处理量大，氨氮浓度高、低

处理量小，氨氮浓度高

能源

消耗

高

低

较高

较低

高

存在

问题

占地面积大，吹脱尾气无法收集处理，环境污染严重

效率低，吹脱尾气不易收

集处理，环境污染比较严重

适应水质水量变化能力差，塔阻较高，能耗较高

填料容易结垢堵塞，要定时清洗

装置复杂，投资大，维护管理要求高，费用大

3.3吹脱填料的选择

吹脱塔中的填料对吹脱效果具有重要的影响。

吹脱中一些常用的填料技术特性见表5。

填料层具有大表面积，使气水更容易充分接触，有利于气水间的传质过程。

废水被提升到填充塔的塔顶，并分布到填料的整个表面，水通过填料向下流，与气流逆向流动。

表3-3一些常用的填料技术特性

填料

名称

填料规格

（mm）

填料个数（个/m3）

空隙率ε（m3/m2）

表面积S（m2/m3）

水力半径R=ε/s（m）

当量直径d=4R（m）

密度

（kg/m3）

拉烯环（瓷）

25×25×3

52300

（排列）

0.74

204

0.00363

0.01452

532

拉烯环（瓷）

25×25×2.5

49000

（乱堆）

0.78

190

0.00411

0.01642

鲍尔环

53500

0.88

194

0.00453

0.01812

101

鲍尔环

53500

0.87

155

0.00561

0.02245

鲍尔环

53500

0.90

106.4

0.00846

0.03383

87.5

多面空心球

85000

0.84

460

0.00183

0.00732

145

多面空心球

11500

0.90

236

0.00381

0.01525

105

另外，塑料填料因表面光滑而不易结垢。

我们采用了多面空心球填料，该填料具有气流阻力小、液体分布均匀、通量大的特点，有较高的传质效率。

3.4试验流程及流程说明

3.4.1试验流程

本试验的试验流程见图3。

3.3.2流程说明

一般的填料塔的高度至少为9米，由于试验条件的限制，我们采用有效高度为3米的吹脱塔。

为了增加吹脱的水里停留时间，采用多次循环的办法。

具体的操作流程为：

a．在1号池内贮满约1m3的污水，加入一定量的消石灰（具体多少由pH控制），调至到一定的pH。

启动抽风机和增氧机；

b.开启1＃泵，吹脱约1h后，同时吹脱塔下方2号池内水通过2＃泵提升到隔壁3号池内；

c.1号池内水泵经过1h运行后，关闭1＃泵。

3号水池内3＃水泵启动提升水进入吹脱塔内；

d.3＃水泵运行1h左右后，3号池内的水被基本抽完。

启动2＃水泵再把2号池内的水输入3号池；

e.等2号水池的水全部进入3号池后，关闭2＃泵，同时启动3＃泵，进行第三次吹脱。

因此，同一批水样被吹脱3次。

3.4主要试验装置

主要试验装置为吹脱塔。

吹脱塔的有效高度为3米，总高4米，内径0.5米，内装75％的填料。

吹脱塔的材料为碳钢。

吹脱塔的结构见图4。

图4吹脱塔的结构图

其它的装置包括液体流量计、自动pH计、抽风风机、增氧机、水泵、20W的搅拌机。

3.5试验测试项目及测试方法

本试验主要测NH3-N和pH。

对最初原水、每次吹脱后的出水及最终出水都要测pH和NH3-N。

另外对部分进水和最终出水还要测定BOD5和CODcr。

其测试方法见表3-4。

表3-4测试项目及测试方法

测试项目

CODcr

BOD5

NH3-N

水温

测试方法

重铬酸钾法

稀释与

接种法

钠式试剂比色法

玻璃

电极法

水银温度计法

方法来源

GB11914-89

GB7488-87

GB6920-86

3.6吹脱工艺的影响因素控制及实验结果分析

3.6.1pH的影响及试验结果分析

3.6.1.1pH对氨氮吹脱效果的影响

生活污水中的氨氮，大多以氨离子（NH4+）和游离氨（NH3）保持平衡的状态而存在。

其平衡关系式如下:

NH3+H2O＝NH4+＋OH一

这个关系式受pH值的影响，当pH值高时，平衡向左移动，游离氨的比例较大。

而氨氮废水中NH3-N的吹脱去除效果与废水中挥发性NH3和NH4+离子的比例有关系，NH3越高，NH3越容易逸处，吹脱效果越好。

当pH为11左右时，游离氨大致占90%。

氨与氨离子之间的百分分配率可用下式进行计算:

Ka＝Kw/Kb＝C1C2/C3

式中:

Kw一水的电离常数;C1一NH3在溶液中的浓度

Kb一氨水的电离常数;C2一H+在溶液中的浓度

Ka一氨离子的电离常数;C3一NH4+在溶液中的浓度

此外，温度也会一定程度地影响到这一平衡。

部分不同的pH值、不同的温度下氨氮离解率见表3-5。

表3-5部分不同的pH、温度下氨氮离解率计算值

温度（Cº）

氨氮的离解率（％）

pH9.0

pH9.5

pH10.0

pH11.0

在25Cº时，可用下式计算废水中挥发性NH3在不同pH值时占总NH3-N的百分含量：

3.6.1.2pH试验结果及分析

石灰用量与pH值的关系

吹脱过程中一般采用石灰和氢氧化钠调节pH。

用消石灰调pH时还具有混凝沉淀作用，能去除污水中部分COD和磷，且价格比NaOH低很多。

因此，本试验采用消石灰调节pH。

消石灰与pH值的关系见表3-6。

表3-6pH值与消石灰的用量关系

石灰用量（g/l）

0.5

0.75

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

实际废水pH

6.85

9.01

10.2

10.81

11.09

11.28

11.36

11.45

从图5可以看出，在pH11之前，pH值随石灰的投加量变化较大；而在11之后，随着石灰投加量的增加，pH值变化很少。

石灰的投加量和理论计算有较大差距，主要是石灰在水中的溶解度较小有关系，此外和废水本身的碱度有关。

pH对氨氮吹脱效率的影响

调制不同pH的废水，在气水比分别为1000:

1和3000:

1下分析pH对生活污水脱氮效果的影响。

其它工艺参数为：

流量Q：

0.5m3/h；

水力负荷：

2.78m3/（m2h）；

水温：

15Cº时，气温8Cº；

吹脱塔的有效高度：

9米

控制不同气水比的方法：

只开吹脱塔塔顶的抽风机时，气水比约为1000:

1；同时启动抽风机和塔底的增氧机时，气水比约为3000:

1。

不同pH下的氨氮吹脱数据见表3-7。

表中说明：

C0：

污水的原始氨氮浓度；mg/l

C1：

吹脱1出水，生活污水经吹脱塔第一次吹脱后出水的氨氮浓度；

C2：

吹脱2出水，污水经吹脱塔第二次吹脱后的出水的氨氮浓度；mg/l

C3：

吹脱3出水，污水经吹脱塔第三次吹脱后的出水的氨氮浓度，也就是最终出水的氨氮浓度；mg/l

η1：

经过第一次吹脱后，氨氮的去除率；％

η1＝（C0－C1）/C0

η2：

第二次氨氮吹脱的去除率；％

η1＝（C1－C2）/C1

η3：

第二次氨氮吹脱的去除率；％

η1＝（C2－C3）/C2

η总：

第二次氨氮吹脱的去除率；％

η1＝（C0－C3）/C0

表3-7不同pH下的吹脱脱氮数据

气水比

NH3-N（mg/l）

9.1

9.9

pH10.5

10.9

11.6

12.2

1000:

进水C0

81.5

83.2

80.2

80.5

82.4

86.6

吹脱1出水C1

71.3

69.6

60.3

61.0

62.3

60.3

吹脱1的去除率η1（％

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