铝厂二次利用水中氨氮和磷的去除研究

蔡金玲（贵州交通职业技术学院，贵州 贵阳 551400）



铝厂二次利用水中氨氮和磷的去除研究

蔡金玲
（贵州交通职业技术学院，贵州 贵阳 551400）

摘 要：氮、磷的存在通常被认为会造成水质的富营养化。氨氮在地表水中如果较高，会导致对水生生物有毒，主要是由于水中非离子氨（NH3）造成的。本文结合贵州铝厂在污水零排放前后的水质情况，主要分析了二次利用水中氨氮和磷的主要去除途径、原理及氮、磷走势对二次利用水系统的影响。

关键词：氨氮；磷；去除

Abstract:The presence of nitrogen and phosphorus is generally believed to result in the eutrophication of water quality. In the surface water if there is a higher ammonia nitrogen， can cause toxic to aquatic organisms， toxicity is mainly caused by the water ammonia（NH3）. In this paper， combining with the development of Guizhou aluminum plant in before and after the zero discharge of sewage water quality， the main analysis of the reclaimed water ammonia nitrogen and phosphorus mainly removal approach， principle of nitrogen and phosphorus， and the trend of reclaimed water system influence.

Keywords:Ammonia nitrogen； phosphorus； remove

1 概述

氮、磷的存在通常被认为会造成水质的富营养化。氨氮是氮在水相中的主要形态，水相中的氨氮以非离子氨（NH3）和离子氨（NH4+）两种形式存在，随着水体pH值的变化，NH3和NH4+相互转化，两者处于平衡状态，转换关系如下式：

氨氮在地表水如果较高，会对水生生物有毒，这主要是由于水中非离子氨（NH3）造成的。如果水体中的氮过量则成为污染因子。氨在0.5mg/L时，即能对水生生物，尤其是鱼类造成毒害，妨碍鱼腮的氧传递，为此我国《地面水环境质量标准》（GB3838）对II类地面水规定非离子氨氮不得大于0.02mg/L。氨氮是高耗氧性物质，水体中过量氨氮等存在易使藻类大量繁殖、富集，大量消耗水中的溶解氧，引起水体发臭。氨氮的存在还会使得供水管线尤其是给水管网中极易繁殖微生物，形成生物膜腐蚀管道。

磷作为一种无机营养物质，和氨氮一样造成水质的富营养化。此外，在对冷却水的水质稳定处理公式，往往添加磷酸盐或其他磷试剂。由于温度、停留时间、微生物、氧化等影响物质，磷试剂将部分水解为正磷酸盐，PO43-存在水，分解率随冷却水的停留时间不同，大约为10%～40%。当水的pH值较高，水中Ca2+浓度较大，PO43-与Ca2+生成溶解度仅0.lmg/L磷酸钙沉淀，附着在换热表面磷酸钙沉淀的形成，增加了磷试剂在循环水系统中，应特别注意对钙磷酸钙垢的形成问题。其反应如下：

2 铝厂二次利用水水质现状

前面的概述中已分析了氮磷对水质富营养化的危害，也即影响对水质的生物稳定。本文结合贵州铝厂在污水零排放前后的水质情况，主要分析了二次利用水中氨氮和磷的主要去除途径、原理及氮、磷走势对二次利用水系统的影响。

图1 氧化铝二次利用水氨氮走势图

图2 氧化铝二次利用水氨氮走势图

二次利用水氨氮和磷的主要来源于工艺流程中的含氮物质、含磷药剂的使用和生活污水中的人体排泄物等。在水体中含量过高会引起水质富营养化。

表1 二次利用水含磷示意表

铝厂二次利用水中氮的含量均在5mg/L以下。图1和图2表示了水中氨氮的走势：在2006年4月全厂零排放之前，东西片区二次利用水氨氮均有上升的趋势，在2006年4月零排放全面实施后氨氮开始降低后逐步稳定。

表1是铝厂二次利用水中磷的含量，可见磷在二次利用水中含量是比较低的。此程度由于含磷不足而造成了水质的富营养化。

3 铝厂二次利用水中氨氮和磷的主要去除途径及原理

3.1 铝厂二次利用水中氨氮主要去除途径及原理

铝厂二次利用水氨氮的去除主要有以下途径：冷却塔的吹脱作用和pH对氨氮的影响。

水中的氨氮多以游离氨（NH3）和离子氨（NH4+）两种形式存在，两者并保持平衡。平衡关系为：NH＋HO→NH+

324＋OH-

这一平衡受pH的影响。pH升高，平衡向左移动，游离氨所占的比例增大。在不同的pH和水温条件下，氨离子与游离氨所占总氨氮的摩尔分数如图3所示。

由图3可知，pH大于7时，水中氨氮主要以游离氨的状态存在，而当pH大于11时，游离氨摩尔分数大约在90%以上。

游离氨易于从水中逸出，在冷却塔中水得到曝气吹脱，如水的pH升高，则可促使氨从水中逸出。这在冷却塔中完全可以做到。氧化铝二次利用水pH一般均在11～12甚至以上的情况，水中氨气也可以安全逸出。

影响冷却塔中氨去除效率的因素有：

pH：氨气脱除效果随pH上升而提高，但提高到10.5以上，去除率提高缓慢。

水温：水温升高，氨气去除率也随之增大。

水力荷率：布水必须以水滴状态下落，若以水膜状态下落，脱氨效果不佳。

气液比：当填料高度在6m以上时，气液比宜为2200～2300，空气流速的上限宜为1600m/min。

吹脱工艺对COD、BOD、SS和浊度等均有部分去除效果，COD去除率约为25%～50%，BOD去除率约为65%，SS去除率约为50%，浊度去除率约为90%。

3.2 磷的去除途径及原理

二次利用水中的磷主要来源来自于生产工艺中含磷药剂的投加、生活污水的汇入等，废水中的磷一般以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷形态出现，其中以正磷酸盐和聚磷酸盐占绝大部分，磷可以在有机磷和无机磷、可溶性磷和不可溶性磷之间互相转换，但价态不发生改变。除磷效果较好的方法是化学沉淀法和生物法。对于贵铝废水，因磷含量相对不高且磷不作为主要敏感指标对待，故实施简便的化学法应为首选。

化学沉淀法是指用试剂与污水中的含磷化合物反应，生成化学沉淀，达到除磷的目的。化学沉淀法采用的化学试剂一般为铁盐（含亚铁盐）、铝盐、石灰及铝铁聚合物等。

①铝盐除磷

因各水处理系统都采用PAC作为混凝药剂，而历来的试验和实际应用中PAC对磷的去除效果都非常明显，铝盐除磷的反应方程式如下：

从上述反应式可看出，除磷时n（Al3+）： n（PO43-）=1∶1，如果适当调节污水pH值，实际能获得与其理论关系一致的结果。实践中，在不适合过滤和调节pH值的场合，需投加过量铝，以利于除磷。

铝盐除磷的原理一般认为是当铝盐分散于水体时，一方面Al3+与PO反应，同时，Al3+先水解生成单核络合物Al（OH）2+、Al（OH）2+及AlO2-等，单核络合物通过碰撞进一步缩合，从而形成一系列多核络合物（n＞1，m≤3n），这些铝的多核络合物往往具有较高的正电荷和比表面积，能迅速吸附水体中带负电荷的杂质，中和胶体电荷、压缩双电层及降低胶体ξ电位，促进胶体和悬浮物等快速脱稳、凝聚和沉淀，表现出良好的除磷效果。铝盐适用pH值宜为5.0～8.0，理想pH值为5.8～6.9，最佳pH值为6.32。

图3 不同pH和水温下氨氮成分图

据此，可以应用PAC作为热电厂和东片区二次利用水除磷。

②铁盐除磷

铁盐除磷的反应方程式可表示如下：

主反应：

Fe3+＋PO43－→FePO4↓

Fe2+＋PO43－→Fe3（PO4）2↓

副反应：

Fe3++HCO3-→Fe（OH）3↓+CO2

铁盐除磷的化学反应如下：铁盐溶于水后，Fe3+一方面与磷酸根生成难溶解的盐，同时通过溶解和吸水可发生强烈的水解反应，并同时发生各种聚合反应，生成带有较长线性结构的多核羟基络合物，如Fe2（OH）24+、Fe3（OH）4

5+、Fe5（OH）96+、Fe5（OH）87+、Fe5（OH）78+、Fe6（OH）126+、Fe7（OH）129+、Fe7（OH）1110+、Fe9（OH）207+和Fe12（OH）34

2+等。这些含铁的羟基络合物能有效降低或消除水体中胶体的ξ电位，通过吸附电中和、吸附架桥及絮体卷捕作用使胶体凝聚，再通过沉淀分离将磷去除。铁盐最佳使用pH值为8。

③石灰除磷

污水加石灰除磷时，主要有以下反应：

含磷废水需投加大量石灰将pH值调节至10～11，在此浓度下，才能有效将磷沉淀，而石灰也主要用于磷的沉淀反应。

氧化铝废水水质pH本身就符合此碱度条件，因此在此碱度下，磷的沉淀是有效的。除磷反应和氧化铝二次利用水硬度的去除条件应一致，即将二次利用水全部汇入改造后的平流沉淀池，集中去除。

4 氮、磷走势对二次利用水系统的影响

氨氮和磷对水质生物稳定的影响主要体现在高含量会造成水质富营养化。根据氧化铝生产工艺的特点，二次利用水中的氨氮与磷都分别有很好的去除途径，氨氮依靠冷却塔的吹脱作用以及pH的调整去除，逸出至大气中。磷依靠各水处理流程中PAC混凝剂的作用以及氧化铝的高碱度加药去除。故二次利用水中氨氮和磷的含量都较低，在安全范围内。零排放后，二次利用水全部回收利用，不外排，所以这么低的氮磷含量更不会对外部水系造成影响。

参考文献

［1］童三明，刘永军，杨义普，刘在堂，贾建军.工业水处理［J］.试验研究，2014（11）.

［2］李国峰.废水中氨氮的去除［J］.大庆石油学院，2005.

中图分类号：X524

文献标识码：A