高浓度氨氮废水的处理技术及发展趋势

摘要 高浓度氨氮废水的现有处理技术主要有物化法（吹脱、萃取、沉淀等）和生物强化处理，各种技术均有成熟规范和工程实例，但能耗、效率和二次污染问题始终限制着高浓度氨氮废水的处理。新技术中超声技术和电化学法的能耗也较高，其研究方向在机理和过程；高级氧化去除氨氮的过程仍在研究的起步阶段，过程和影响因素均不明；而微波技术由于节能高效已经进入了中试阶段，是高浓度氨氮废水处理的可行方案，但仍需解决微波设备与处理水量的放大问题。

关键词 高浓度；氨氮废水；处理技术；发展趋势

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）26-09097-02

Technology and Development Trend for Wastewater with High Concentration of Ammonia Nitrogen

HU Lin-long

（Sichuan College of Architecture Technology， Deyang， Sichuan 618000）

Abstract High concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment technology includes physical chemical method （air-stripping， extraction， precipitation， etc.） and biological strengthening processing. Both kinds of technology have mature standards and engineering examples， but the energy consumption， removal efficiency， and secondary pollution have limited the development of high concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment. New technology of ultrasound technology and electrochemical method posses high energy consumption， so that research focuses on mechanism and process； the advanced oxidation process of removing ammonia nitrogen is still at the early stage of the study， with unknown process and influence factors. Because of energy saving and efficient， microwave technology has researches on pilot scale， which make it a feasible solution to high concentration of ammonia nitrogen wastewater treatment. But still， it needs to solve the problem of amplification and equipment.

Key words High concentration； Ammonia nitrogen wastewater； Treatment technology； Development trend

氨氮是一種水体中常见的无机污染物，高浓度氨氮废水是指氨氮浓度从数百到上万毫克每升不等的污染废水。微生物的硝化反硝化作用能使低浓度的氨氮在自然状态下去除，而污水中高氨氮浓度导致的低C/N比使得微生物无法正常利用有机碳，抑制微生物的活性^[1-2]。部分工业废水难生物降解和难处理的主要原因之一就是含有高浓度的氨氮，若不经妥善处理就排入自然水体中，将导致水体的富营养化；氨氮被氧化生成的硝酸盐和亚硝酸盐会影响水生生物的生长^[3]，以致危害人体健康。

国内外对高氨氮废水的处理技术开展了大量研究，也拥有众多应用实践。高浓度氨氮主要的处理技术包括物理化学法、强化生物处理技术和包括超声技术、电化学技术、微波技术和高级氧化等的其他新技术等。

1 主要处理技术及趋势

1.1 物理化学法

针对高浓度的氨氮废水，现有的物理化学法主要有吹脱法、萃取法和化学沉淀法。最常用的是吹脱，吹脱的实质是将废水调到碱性并使之进入吹脱塔，根据吹脱的介质分为蒸汽吹脱和空气吹脱。蒸汽吹脱效率可高达90%以上，在炼钢、化肥、石油化工等有现成蒸汽的行业和厂矿，高浓度氨氮废水一般采用蒸汽作为介质进行吹脱处理。空气吹脱效率比蒸汽低，但优势是能耗低，操作方便，设备及运行经费少，在氨氮去除率要求不太高和处理后氨氮要求不严格的情况下，采用空气作为吹脱介质更为节省。能够影响吹脱效率的因素较多，最佳工艺参数：温度为25 ℃，pH为10.5～11.0，气液比为2 900～3 600，水力负荷为3.51 m3/（m3·h）。对浓度为1 500～2 500 mg/L的垃圾渗滤液中的氨氮，空气吹脱效率可达95%以上^[4]。用硫酸溶液作吸收剂，将吹脱的氨氮转变为硫酸铵制成化肥，通过回收利用废氨来降低工艺成本，也可开发制砖或作助燃添加剂以实现资源与废物利用^[5]。

萃取法主要利用氨氮与水溶液在溶剂中的不同溶解率将氨氮和水分离。在最佳反应条件下，用乳状液膜分离法预处理垃圾渗滤液中的氨氮，分离速度快，处理效果达到87%以上^[6]。但萃取法需要大量有机溶剂，其后续的处理和纯化耗时耗能，所以萃取法并不是一种理想的处理方法。

化学沉淀法也被广泛研究，MAP工艺的基本原理是向氨氮废水中投加MgCl₂和Na₂HPO₄，3种盐反应生成MgNH₄PO₄·6H₂O沉淀^[7]。为了减少氯离子的引入，有人提出将MgCl₂改为MgO。周娟贞用化学沉淀法在各种工艺条件下对900～7 500 mg/L浓度范围的氨氮废水做了试验研究，结论是以n（Mg）∶n（N）∶n（P）=1.3∶1∶1.08（物质的量比）投加MgO和Na₂HPO₄，pH为9的氨氮去除率最高（可达到98%）^[8]。化学沉淀法工艺简单，效率高，沉淀物可用作肥料，但投加药剂量大，且农作物对MAP的吸收，沉淀物中其他杂质的含量及其是否对农作物的生长有危害，还需要深入研究和广泛试验。

1.2 强化生物处理

生物脱氮技术由于成本低，在实际废水处理工程中应用比较广泛，但仅通过常规生物技术处理高浓度的氨氮废水比较困难。这是因为，微生物的正常生长必须增加回流比达到稀释原废水浓度的目的；另一方面，硝化过程和反硝化过程需要大量氧气和碳源，一般认为COD/TN的最低值为9。对于焦化、石化、化肥以及垃圾渗滤液等高氨氮、低碳源废水的生物脱氮处理，就要求必须增加较多外加碳源，增加曝气、外加碳源和碱度使吨水处理成本增加。对于高浓度氨氮废水，利用生物处理技术脱氮采取的工艺主要有ANAMMOX即厌氧氨氧化工艺、OLAND工艺、SHARON工艺^[9]、SND同时硝化反硝化^[10]。这些生物脱氮新工艺处理高浓度氨氮废水的脱氮效率均较高，但工艺条件要求严格，特别是溶解氧的控制范围窄，在实际工程中很难控制，只有SHARON工艺在实际工程中投入了运行。

1.3 处理新技术

1.3.1 超声技术。

有人提出超声波净化废水以减少氨吹脱过程中的能耗。超声波除氨是将压缩空气作为超声波的吹脱动力，使水分子由于承受交替压缩和扩张而产生空化气泡，从而达到强化NH₃的挥发和传质效果^[11]。对高浓度氨氮（982 mg/L）废水进行试验，当气液比为1 000∶1时，用普通空气吹脱氨氮，效率为81.53%，而用超声波吹脱氨氮，效率为98.72%，提高了约17%，COD去除率为24.90%。超声技术的瓶颈在于超声设备和水处理量的放大较困难，且能耗较高。

1.3.2 电化学法。

王鵬等用电化学法间接氧化法去除氨氮，通过6 h的氧化，含有氨氮（1 480 mg/L）的垃圾渗滤液中氨氮去除率可达100%^[12]。但该方法的缺点也比较突出，即耗电量大（以COD计为55 kW·h/kg），所以工程应用前景不大。

1.3.3 微波技术。

微波水处理技术是把微波场引入水处理过程中，利用微波对单相流和多相流物化反应的强烈催化作用，对极性和非极性化合物的选择性供能的功能，达到破坏有机物结构、杀灭微生物和细菌，是一种新型技术^[13]。林莉等利用微波直接辐射调节pH为11的含有高浓度氨氮的模拟废水和焦化废水3～5 min，同时辅以曝气，能分别去除溶液和实际废水91%和85%的氨氮^[14-15]。采用微波技术处理焦化废水中含有的高浓度氨氮^[16]，证明了微波的作用机理是通过其热效应将氨氮挥发出去，所以过程中不但不会产生NO-₂和NO-₃等污染物，而且其脱氮效率均能达到90%以上。同时，相对于吹脱塔和曝气吹脱，微波热效应脱氮处于相对封闭空间，脱出的氨可以回收综合利用，实现经济效益的同时减轻和避免了大气污染。Peng Li等将微波与颗粒活性炭结合以固定床的形式用于处理高浓度氨氮废水，其连续系统中的氨氮去除率高达94%，活性炭在其中发挥了关键作用^[17]。

对于高浓度氨氮废水的处理，微波技术正得到广泛研究^[18-19]，特别是与各种高级氧化技术或氧化剂结合使用，取得了良好的效果。但是微波发生器及其腔体投资造价高，需要单独的隔离措施，水处理量的有效工程放大等都是微波技术需要解决的问题。

1.3.4 高级氧化。

氨氮的氮元素以-3价存在，具有还原性，在很强的氧化剂作用下能发生氧化反应，高级氧化则是采用强氧化剂的工艺技术。丁湛等将负载二价铁的颗粒活性炭（GAC）做为催化剂，采用微波强化Fenton氧化的方法处理老龄垃圾渗沥液，渗沥液的pH被调到2～4，微波辐射时间30 min时，COD和氨氮的去除率最高，分别达到了95.64% 和88.63%^[20]。王杰等采用微波-活性炭-Fenton催化氧化预处理垃圾渗沥液，在微波功率为300 W，pH为8，活性炭9 g/L，Fe²⁺用量为0.02 mol/L，H₂O₂用量为7 ml/L，辐射时间6 min，垃圾渗沥液中COD和氨氮去除率分别达到68.22%和78.08%，渗沥液的BOD₅/COD由0.21提高到0.45^[21]。

高级氧化不仅对有机物有较好的去除效果，对氨氮的去除也具有明显的作用。高级氧化技术可以实现废水中氨氮与COD的同步降低，但有机污染物和氨氮对高级氧化过程产生的氧化剂的争夺过程和优势顺序会直接影响COD和氨氮去除率，而这部分领域的研究未见报道。

2 结论

高浓度氨氮废水的现有处理技术主要有物化法（吹脱、萃取、化学沉淀等）和生物强化处理两类，均有成熟的规范和工程应用实例，但物化法和生物强化处理存在的能耗高、效率低和二次污染问题限制着高浓度氨氮废水的处理。高浓度氨氮废水新技术中超声技术和电化学法的能耗也较高，其现有研究方向在机理和过程，少有工程应用；高级氧化去除氨氮的过程仍在研究的起步阶段，过程和影响因素的研究未见报道；而微波技术由于具有节能和高效的特点已经进入了中试阶段，是高浓度氨氮废水处理的可行技术方案，但仍需解决微波设备与处理水量的放大问题。

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