電滲析法處理氨氮廢水研究進展

氨氮廢水已引起環保領域在全球范圍的重視，廢水的氨氮的處理技術研究一直是各國學者研究的熱門課題。氨氮廢水分布廣，覆蓋行業多，近些年針對不同行業的多種氨氮廢水的去除方法已經成熟，主要有生物脫氮法、吹脫法、折點加氯法、離子交換法等。生物脫氮法適用于處理含有機物的低氨氮濃度廢水，該法技術可靠，處理效果好，主要應用于含氨化工廢水和生活污水的處理。折點加氯法和離子交換法適用于不含有機物的低濃度氨氮的廢水處理。
對于高濃度無機氨氮廢水，如氮肥廠廢水等，目前，工業上較多采用吹脫法，其單脫氨率僅為７０％，無法達到國家排放標準，且投資大，低溫效率低，二次污染嚴重。
本研究采用電滲析法處理氮肥廠氨氮廢水，該方法不僅能夠有效地分離廢水中的氨氮，使處理后的廢水實現達標排放，而且具有能量消耗低，使用壽命長，藥劑使用量少，投資少，運行費用低，操作方便。回收的氨氮可以重復利用，無二次污染，對原水水質變化適應性強，系統應用靈活，操作維修方便，容易實現機械化和自動化，預處理簡單等優點，在工業廢水處理中推廣和應用前景。
一、實驗部分
1.實驗設備及裝置原理

圖1　自制電滲析設備

自制電滲析設備，其工藝流程見圖1。
電滲析技術原理：在直流電場的作用下，電解質溶液中的離子選擇性地通過離子交換膜。當氨氮廢水通過該裝置時，在直流電場的作用下，陽離子氨離子通過陽膜，陰離子通過陰膜，即可產生定位遷移，當陰離子通過陰極膜進入到濃水室，進一步向陽極方向移動。但是碰到陽極膜的阻擋無法穿過該膜，停留在濃水室中。陽離子通過陽極膜進入到濃水室中，進一步向陰極方向移動，同樣碰到了陰極膜的阻擋無法穿過該膜，也會停留在濃水室中。這樣陰陽離子同時富集在濃水室中，進入到濃水室中被濃水帶出，于是進入到電滲析池中的陰陽離子被脫除，從而從水溶液和其他不帶電組分中分離出來。從而實現對溶液的濃縮、淡化、精制和提純的目的。其作為一種新型的膜分離技術在天然水淡化、海水濃縮制鹽、廢水處理等領域起到重要作用，已經成為一種較為成熟的水處理技術。控制合適的參數，包括電壓、電流、流速，在選用國產離子交換膜的條件下也可以將氯化銨濃度濃縮至12.6％。
2.實驗方法
電滲析器：尺寸規格為25mm×80mm；組裝方式為臥式組裝，采用一級一段式，每段10對膜，膜對電壓為0.2V；極板為鈦鍍釕電極；膜為聚丙烯均相膜。
3.分析方法
氨氮測定方法為水質－氨氮納氏試劑分光光度法（HJ535-2009）。
二、結果與討論
1.進水流量對處理結果的影響
以模擬氨氮廢水為樣品，保持電壓在14V不變，控制氨氮進水流量在一定范圍內變化，測定出水的電導率。結果見圖2。
通過圖2的曲線可以看出，流量在10～20L/h范圍內電導率變化不明顯，出水氨氮濃度變化較小。當流量在20～40L/h范圍內，電導率出現明顯的上升趨勢，出水氨氮去除率可達80%，隨著時間延長流量增加，出水水質電導率逐漸變大，但是此時出水氨氮水質變差。因此得到最好的處理效果時空之流量在40L/h，此時出水氨氮電導率為15.67μs/cm。
當進水流量控制在40L/h，通過改變電壓測定出水電導率，其電壓與電導率曲線關系見圖3。

圖2　進水流量對處理結果的影響

圖3　電壓對出水電導率的影響

由圖3可知，出水電導率隨著電壓的升高而不斷下降，當電壓降至14V時，電導率在15.67μs/cm，之后不再降低，因此，本實驗的最佳電壓為14V，最佳流量為40L/h。
2.流速對電解流程長度的影響流速對流程長度的影響見圖4。

圖4 流速對流程長度的影響

由圖4可知，進水氨氮在電子遷移過程中邊電離邊遷移，流速的大小直接影響到氨氮的電離程度進而影響流程長度。流速超過最佳速度時會出現沒有完全電離就隨極水離開電滲析器。相反，如果流速太小會使過程效率下降。
3.氨氮濃度對處理結果的影響
氨氮濃度的高低對電滲析設備的能耗會有一定影響，濃度太高，氨氮脫除時間相對較長。氨氮濃度太低，10～20min內即可達到理想的處理效果。
但是想要得到更高的去除率不僅增加耗電量，也會出現濃水室極化結垢造成膜污染。因此，該法處理氨氮廢水時應控制氨氮進水濃度。不同濃度氨氮進水在相同處理時間內出水氨氮濃度結果見表1。

表1 不同濃度氨氮進水在相同處理時間內出水氨氮濃度

通過以上數據可以看出，氨氮濃度在5000mg/L下時15min的去除率就可以達到90％～95％。氨氮濃度在10000mg/L以上時，氨氮去除率僅達到65％左右，因此在選擇氨氮進水濃度時應考慮既要去除效率高，又要考慮設備運行成本。

圖5 進水pH值對氨氮去除率的影響

4.進水pH值對氨氮去除率的影響
進水pH值對氨氮去除率的影響結果見圖5。
對于電滲析法去除氨氮，原水的pH值是一個極為重要的參數。由圖5中可以看出，pH在7～10之間電滲析對氨氮具有較高的去除效率。在pH為8左右時去除率最高可達92％。模擬氨氮廢水進行試驗后，由于氨氮配水本身pH為7.5左右，因此無需再調節水質pH值即可達到去除率95％。因此原水的pH直接影響到電滲析法對氨氮的去除率。pH值較低時雖然有利于氨氮離解為銨離子，但是由于濃差極化使其去除率下降，給后續處理增加困難的同時也會出現設備腐蝕問題，同時從膜污染的角度考慮，pH較高會出現膠體污染，使氨氮的電離效果下降去除率降低。通常提高廢水中氨氮的傳質系數，采取調節pH值，使NH＋4轉化為NH3，如果需要將氨根離子全部轉化為NH3，按照理論值計算需要加入等物質量的堿，這樣的結果也同樣可能會造成膜污染問題。因此，應用電滲析法處理氨氮廢水，pH值影響可以忽略。
三、教學設備的推薦與介紹