氨氮廢水處理

目前隨著化肥、石油化工等行業(yè)的迅速發(fā)展壯大，氨氮廢水的水量每年也在一斷增長，氨氮廢水排入水體不僅引起水體富營養(yǎng)化、造成水體黑臭，給水處理的難度和成本加大，甚至對人群及生物產生毒害作用，所以氨氮廢水必須經過處理達標后方可排放。

氨氮廢水是工業(yè)三高廢水之一，處理難度大，以前常用的處理方法是吹脫法，但這種方法存在很多缺點，漸漸被脫氨膜法取代。依斯倍環(huán)保脫氨膜法處理氨氮廢水不僅提高了氨氮的去除率還大大降低了能耗，為企業(yè)節(jié)省運行成本，是目前較受業(yè)主青睞的處理方法。希望每一家企業(yè)都能將廢水處理達標，這樣我們的生活環(huán)境才能越來越美。

氨氮廢水是在工業(yè)生產中產生的工業(yè)廢水，包括了大量氨氮元素，如果這些包含氨氮元素的工業(yè)廢水通過直接排放的方式排入江河湖泊，將會對我國的生物環(huán)境長生較大的不可逆轉的危害。氨氮廢水處理技術是通過科學的方法對氨氮廢水進行凈化處理的污水處理系統(tǒng)，使之變成可利用的生活資源，達到滿足工業(yè)生產的目的。文章主要針對氨氮廢水處理技術研究進展的難題及發(fā)展方向進行了分析。

關鍵詞：氨氮廢水;廢水處理技術;發(fā)展瓶頸;發(fā)展方向

1 前言

工業(yè)時代對重工業(yè)的發(fā)展勢頭直至今日仍不見其減緩的意思，水泥加工廠、化肥生產廠等對環(huán)境造成極大地危害，而生產工廠現(xiàn)今仍是許多地區(qū)發(fā)展的經濟支柱，對氨氮廢水處理技術不可避免的引起了人們的熱議。而且氨氮廢水處理技術現(xiàn)已涉及到廣大人民的農業(yè)活動、國家環(huán)境問題、國民經濟發(fā)展、人民生活等各方各面，隨之增加的還有其工作的困難性與復雜性。雖然有了近些年來眾多學者實踐總結出的經驗，但是氨氮廢水處理技術也暴露出了大量問題。

2 產生故障因素

氨氮廢水處理技術的環(huán)境保護型發(fā)展概念至今已相當成熟，它有一套完整的理論體系及分類方式。筆者通過對相關文獻的查詢，就這三個方面做出以下整理分析。

2.1自身技術受限

隨著工業(yè)新時代的來臨，人們的經濟生活水平逐步提高，在追求更高生活標準的同時，對自身生活環(huán)境的要求也隨之增加。氨氮廢水處理技術如果技術過于陳舊、處理效率過低不僅會對廢物利用觀念下的污水廠系統(tǒng)專業(yè)的發(fā)展造成影響，而且對社會中各方面會產生負面的連帶作用。但是由于受到基礎化學和應用化學發(fā)展的限制，氨氮廢水處理技術到現(xiàn)在為止仍是一個技術難題。相關理論和技術的發(fā)展速度緩慢，甚至停滯不前的原因表現(xiàn)在方方面面。其中主要有兩點十分突出，一方面是基礎物理進展緩慢，氨氮廢水處理技術不達標，發(fā)展至今日，傳統(tǒng)化學除污廢水處理工藝仍是應用比較廣的技術，其廢水處理效率及效果已不在滿足生產需求;另一方面，傳統(tǒng)化學除污廢水處理工藝技術耗資巨大，所以導致許多廠家采取不配合的方式，醫(yī)用難度較大，到目前為止并沒有給人們帶來十分明顯的利益，也沒有引起人們足夠的重視。新型氨氮廢水處理技術一經提出就得到了國際社會的廣泛關注，人們也對其營造的現(xiàn)代化的能源的由來方式充滿了無盡的向往。到目前為止該設備仍處于初始階段，但其已為人類帶來相應的效益，發(fā)展勢頭一片良好。

2.2生物氨氮廢水處理技術發(fā)展受限

前文提到傳統(tǒng)的氨氮廢水處理技術是當下工廠應用較為廣泛的污水處理系統(tǒng)，但是其在應用過程中暴漏出大量的問題，其中有兩個方面較為突出，一方面，傳統(tǒng)氨氮廢水處理技術理論技術受限，造成處理效率過低的問題，即使工廠都配置了氨氮廢水處理系統(tǒng)，其處理后的廢水人股能達到國家的廢水排放標準;另一方面，廢水處理技術步驟過于繁雜，工廠如果配置一整套的污水處理系統(tǒng)，將要引進大量的機械設備，其將會占用大量的工廠建設面積，廢水處理費用也會成為工廠的一項較大開支，這會引起企業(yè)工廠的排斥反應，國建監(jiān)管難度較大。生物氨氮廢水處理技術是時下比較先進的包括氨氮廢水處理在內的污水處理系統(tǒng)，他是生物學上的一個理論突破，為更為有效的廢水處理提供可一個新的思路，但是當下該理論仍處于初步實行階段，相關的應用受到極大的限制。

2.3氨氮廢水處理技術人員能力受限

因為傳統(tǒng)氨氮廢水處理技術受限，一個好的技術工作人員在整個氨氮廢水過程中起到的作用仍十分重大。技術工工作的準確性直接影響到工程的進展，甚至工作的成敗。故障產生的一個重要來源表現(xiàn)在對氨氮廢水處理機器的使用過程中產生的偏差，他們不良的甚至錯誤的操作方式，是產生這種誤差的主要原因，例如操作時時采取的習慣大相徑庭，觀測時選用的角度大相徑庭等。在操作過程中技術人員所造成的誤差也是造成鍛造過程檢定和測量出現(xiàn)差錯的一個重大緣由，對知識的掌握半生不熟、動手實踐能力相對較差、操作流程沒有搞明白等都可找到端疑，此外對儀器進行校準也會使實驗結果產生較大偏差。不管科學技術發(fā)展到何種水平，人在其中的作用仍是至關重要的不可忽視的，它的作用往往在于統(tǒng)領全局，所以只要人好對人的管理才不至于最后功虧一簣。

3 技術及應用發(fā)展方向

3.1傳統(tǒng)技術的革新依然是關鍵

加大資金投入，盡快發(fā)展相關理論(化學基礎研究)和技術水平(應用化學)，相關領域的發(fā)展以及技術水平的提升，是解決氨氮廢水處理技術應用發(fā)展中問題的釜底抽薪的方法。在通信方式高度發(fā)達的今天，通過媒體的報道人們逐漸意識到了環(huán)境安全問題，所以環(huán)境安全問題就被人們推到了風口浪尖的位置，運營商對其安全性的管理的壓力也與日俱增，保證其安全穩(wěn)定的運營成了重中之重。這應當引起各國政府以及相關民間，企業(yè)組織的足夠重視。只有通過這個方法才能解決現(xiàn)存的，才能解決的技術難題，使得氨氮廢水處理技術水平達到一個從所未有的新高度，這不僅可以給人帶來永久的利益，還會給人們帶來了永久性的便利收獲。大力發(fā)展相關理論(化學基礎研究)和技術水平(應用化學)方面的理論基礎，以及提升相關的技術水平是當下最應該注意的東西。

3.2大力發(fā)展生物氨氮廢水處理技術

生物氨氮廢水處理技術是時下比較先進的包括氨氮廢水處理在內的污水處理系統(tǒng)，他是生物學上的一個理論突破，為更為有效的廢水處理可提供一個新的思路，但是當下該理論仍處于初步實行階段，相關的應用受到極大的限制。但是其有效的氨氮廢水處理效率是值得人們對其投入較大的資金及人力的，在發(fā)展傳統(tǒng)技術的基礎上，關注發(fā)展生物氨氮廢水處理技術是一種比較明智的發(fā)展選擇。微生物的深入研究是生物廢水處理的工作重點，找到能有效分解氨氮的微生物是研究方向，相信生物的力量永遠是人類的技術無法超越的。

3.3生物氨氮廢水處理技術人員技術培養(yǎng)是重點

通過的人員的管理和其技術手段提升，來降低當前故障排查工作毛病產生的原因是目前技術所限大背景下，一種最為快捷有效的解決方法，因此在操作過程中需盡可能的按照規(guī)程、規(guī)范來執(zhí)行。在操作過程中測量人員所造成的誤差也是造成電學計量檢定和測量出現(xiàn)差錯的一個重大緣由，對知識的掌握半生不熟、動手實踐能力相對較差、操作流程沒有搞明白等都是當前工作的重點。通過大數(shù)據(jù)處理器與問題機械分析儀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速收集與故障實時檢測的目的;通過氨氮廢水處理技術所用設備的故障實時智能檢測與機械正常安全運行使用的管理理念相結合，達到氨氮廢水處理技術系統(tǒng)優(yōu)化現(xiàn)有的維修管理資源的目的。為提高氨氮廢水處理技術設備可靠安全的工作能力、為預防可怕的工作事故發(fā)生提供先進的實用技術支持。

4 結束語

在人類科技文化迅速發(fā)展的今天，環(huán)保型經濟發(fā)展的觀念已逐漸深入人心，未來社會將是一個環(huán)保文明的社會。人們對此抱著美好的憧憬同時政府及民間企業(yè)對其投資也十分巨大。氨氮廢水處理技術在人類未來社會中將扮演著至關重要的角色。它是發(fā)展環(huán)保型現(xiàn)代經濟的技術基礎，為人們的可持續(xù)發(fā)展提供發(fā)展便利，愿我們的生活多一分智能，心情多一些愉快，展望未來希望我們給予歲月文明。

混酸法制備氧化鐵紅〔1〕過程中會產生大量呈酸性的高濃度氨氮廢水，其經燒堿中和沉淀法預處理后，其中的pH、色度、SS均可滿足排放標準要求，但氨氮濃度仍然很高。目前，對于高氨氮廢水的處理技術主要包括折氯法〔2〕、吹脫法〔3〕、化學沉淀法〔4〕和生物脫氮法〔5〕等。其中，磷酸銨鎂（MAP）結晶沉淀法〔6〕，又稱鳥糞石結晶沉淀法，作為一種有效脫氨氮技術，受到研究者的廣泛關注，已成功應用于各種高濃度氨氮廢水的處理中。MAP法去除廢水中氨氮的原理是向廢水中投加鎂鹽和磷酸鹽，其中的Mg2+和PO43-在堿性條件下可與廢水中的NH4+發(fā)生反應生成MgNH4PO4·6H2O,從而脫除廢水中的氨氮。

研究表明〔7〕，影響MAP脫氮效果的主要因素為廢水氨氮濃度、鎂鹽投加量、磷酸鹽投加量、pH以及反應條件如反應時間、反應轉速等。由于可變因子多，利用常規(guī)的單因素實驗以及正交實驗并不能研究出各種因素之間的相關關系，無法得到因素與響應值之間明確的函數(shù)表達式。而響應面分析法〔8〕是基于多元二次回歸方程擬合各影響因素和響應值之間的函數(shù)關系，對于實驗研究選取的條件和得到的結果，能夠進行全方位的數(shù)學分析。與正交實驗相比，它具有更高的回歸方程精度和更多維度的分析，同時能夠顯示出各種不同因素之間的交互作用，因此被廣泛應用于各類廢水的處理研究當中?；诖耍P者采用響應面法對鳥糞石法處理氧化鐵紅廠高氨氮廢水進行了優(yōu)化研究。

1 材料與方法

1.1 實驗廢水

實驗廢水取自廣東某氧化鐵紅廠經燒堿中和沉淀法預處理后的氧化鐵紅生產廢水，其主要特點為氨氮濃度較高，可生化性差，呈弱堿性。其水質：pH 為8.5~9.0,氨氮為570~630 mg/L,色度 為4~8倍。

1.2 分析方法

NH3-N的測定采用納氏試劑分光光度法；正磷酸鹽的測定采用鉬酸銨分光光度法；Mg2+的測定采用EDTA滴定法。

1.3 實驗方法

取250 mL水樣置于500 mL燒杯中，將燒杯置于攪拌機上，攪拌（240 r/min）過程中按不同物質的量比加入MgCl2·6H2O和無水Na2HPO4.反應期間，用HCl或NaOH來調節(jié)反應體系pH,反應時間為20 min.反應結束后，將溶液靜置30 min,取上清液進行水質分析；沉淀物經預處理后，采用LS-15型掃描電鏡和XRD-6000型XRD衍射儀進行分析〔9〕。

2 結果與討論

2.1 BBD分析實驗設計和結果

根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實驗原理，選取影響鳥糞石法處理氨氮廢水效果的3個主要因素pH、n（N）∶n（Mg）和n（N）∶n（P）,設計了3因子3水平共 17 個實驗點的實驗方案。實驗方案和結果見表 1 ,其中實驗序號由Design-Expert 7.0軟件隨機產生。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 曲面的擬合及分析

采用Design-Expert 7.0軟件對實驗結果進行二次響應曲面回歸，得到如下模型：

式中A、B、C均為各因素的實際值，D為氨氮去除率（%）。

對上述模型進行了回歸系數(shù)顯著性分析，結果表明，該模型的Prob>F小于0.000 1,表示該模型是顯著的；同時，該模型的決定系數(shù)R2=0.999 9,調整決定系數(shù)Adj R2=0.999 7,說明該模型的擬合可靠性很高。因此，該模型能夠較為準確地分析和預測鳥糞石法處理氧化鐵紅廠氨氮廢水的最佳反應條件。對自變量的顯著性檢驗結果表明，A、B、C、BC、A2、B2、C2是顯著的模型因素。

2.2.2 最佳反應條件的確定

對表 1的數(shù)據(jù)進行降維分析，研究pH、n（N）∶ n（Mg）和n（N）∶n（P） 3個因素中某一因素固定時，其他2個因素對氨氮去除率的影響以及各因素之間的交互作用，結果如圖 1所示。

圖 1不同因素對氨氮去除率影響的三維曲面圖

由圖 1可知，以A為中心值時，B和C對氨氮去除率的影響的響應面的等高線形狀為橢圓，說明 n（N）∶n（Mg）和n（N）∶n（P）交換作用顯著。分別以B和C作為中心值時，響應面的等高線為圓形，說明反應的pH和n（N）∶n（Mg）、n（N）∶n（P）之間并無顯著的交互作用，它們相互并不影響。

通過對模型的最優(yōu)化求解，得到氨氮去除率的最大估計值為99.77%,相應的A（pH）的最優(yōu)解為9.39,B〔n（N）∶n（Mg）〕的最優(yōu)解為0.80,C〔n（N）∶n（P）〕的最優(yōu)解為0.80.

2.2.3 驗證實驗

為了進一步考察模型的準確性和實用性，在相同的條件下進行了1組對照實驗，與相應的模型預測值進行比較，結果如表 2所示。

由表 2可知，模型的預測值與實際實驗值的最大相對誤差<5%,說明該模型具有良好的準確性和預測效果。

2.2.4 出水正磷酸鹽的變化規(guī)律

磷屬于必須嚴格控制的常見污染物之一，在用鳥糞石法處理氧化鐵紅廠高氨氮廢水時必須控制出水中正磷酸鹽的濃度。出水中正磷酸鹽含量主要由Na2HPO4的投加量決定，Na2HPO4的投加量過大，不僅會造成浪費，而且會帶來出水磷超標的二次污染。

取4份200 mL氨氮廢水加入到500 mL燒杯中，氨氮初始質量濃度為580 mg/L.在n(N)∶n(Mg)=0.8∶1,反應體系pH為9.39,攪拌速度為240 r/min,反應時間為20 min的條件下，改變Na2HPO4的投加量，使n(N)∶n(P)分別為1.2、1.0、0.9、0.8,考察出水正磷酸鹽的變化規(guī)律，結果如表 3所示。

由表 3可知，采用鳥糞石法處理氧化鐵紅廠氨氮廢水時，在一定范圍內提高Na2HPO4的投加量有利于氨氮的去除，Na2HPO4投加過量，會使出水正磷酸鹽濃度迅速升高，造成二次污染。由實驗結果可知，當n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.8∶1∶1時，氨氮脫除率最高，但出水正磷酸鹽含量超標;當n(N)∶n(Mg)∶n(P)=1∶1∶1時，出水正磷酸鹽含量能夠達到排放標準，但此時出水氨氮濃度較高，須進行進一步處理。

2.2.5 鎂鹽投加量與出水水質的關系

分析表 3可得，要使出水氨氮和正磷酸鹽均達標，在不改變其他反應條件的情況下，可行的方法是不僅需要投加的MgCl2·6H2O和Na2HPO4過量，而且MgCl2·6H2O的投加量要高于Na2HPO4的投加量。因此，實驗固定n(N)∶n(P)=0.9∶1,通過提高鎂鹽的投加量，研究出水水質隨鎂鹽投加量的變化規(guī)律。

取6份200 mL氨氮廢水加入到500 mL燒杯中，氨氮初始質量濃度為580 mg/L.在反應體系pH=9.39,反應時間為20 min,攪拌速度為240 r/min的條件下，分別按照n(N)∶n(Mg)∶n(P)為0.9∶1∶1、0.9∶1.05∶1、0.9∶1.1∶1、0.9∶1.15∶1、0.9∶1.2∶1和0.9∶1.25∶1向廢水中投加一定量的MgCl2·6H2O和Na2HPO4,考察鎂鹽投加量與出水水質的關系，結果如圖 2所示。

圖 2鎂鹽投加量與出水水質的關系

由圖 2可以看出，當投加的正磷酸鹽和鎂鹽均過量時，出水氨氮和正磷酸鹽濃度均隨著鎂鹽濃度的增加而下降。當n(N)∶n(Mg)∶n(P)由0.9∶1∶1升高至0.9∶1.25∶1時，出水氨氮由26.78 mg/L下降至9.58 mg/L,同時出水正磷酸鹽由31.54 mg/L下降至2.42 mg/L.實驗結果表明，當廢水中的氨氮濃度和正磷酸鹽投加量一定時，提高鎂鹽投加量，可在提高氨氮脫除效果的同時降低出水正磷酸鹽濃度。當n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.9∶1.25∶1時，出水氨氮能夠達到排放標準要求，且出水正磷酸鹽濃度較低。

2.3 沉淀產物分析

鳥糞石法沉淀產物的分子式為MgNH4PO4·6H2O,根據(jù)其分子式可計算得出沉淀產物中氨氮、正磷酸鹽和鎂離子的理論值分別為285.24 、630.98 、495.29 mg/L。

收集鳥糞石法處理氧化鐵紅廠氨氮廢水的沉淀物，用蒸餾水洗凈過濾后，于40 ℃下烘48 h,并于使用前恒重30 min.稱取恒重后的沉淀物5.00 g,溶解于1 mol/L的稀鹽酸中，定容于1 L容量瓶中。根據(jù)測量方法的需要，分別稀釋成不同倍數(shù)，分析溶液中的氨氮、正磷酸鹽和鎂離子含量。結果表明，沉淀物中氨氮、正磷酸鹽和鎂離子質量濃度分別為259.28、720.33、446.92 mg/L,與MgNH4PO4·6H2O的理論值基本一致，說明沉淀物主要成分為鳥糞石。

對沉淀物進行SEM和XRD表征，結果如圖 3和圖 4所示。

圖 3沉淀產物的SEM表征結果

圖 4沉淀物的XRD表征結果

由圖 3可以看出，沉淀物的形狀較為規(guī)則，具有斜方晶形的特點，且結構緊密，與MgNH4PO4·6H2O的晶體結構相近。由圖 4可以看出，沉淀物的特征峰與MgNH4PO4·6H2O的標準PDF圖譜基本吻合，因此可以進一步確定該沉淀物的主要成分為鳥糞石。

3 結論

采用鳥糞石法對氧化鐵紅廠高氨氮廢水進行處理，以pH、n(N)∶n(Mg)和n(N)∶n(P)為主要影響因素，通過響應面法對處理過程進行了優(yōu)化設計，結果表明：

(1)響應面法能夠準確地分析和預測pH、n(N)∶n(Mg)和n(N)∶n(P)對脫氨氮效果的影響，3個因素中只有n(N)∶n(Mg)和n(N)∶n(P)之間存在交互作用。

(2)通過二次曲面模型預測的最佳實驗條件∶ pH=9.40,n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.8∶1∶1,此條件下氨氮去除率為99.77%.該結果與實際實驗值吻合度高，相對誤差<5%.

(3)采用鳥糞石法處理氧化鐵紅廠氨氮廢水，當n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.9∶1.25∶1時，可使出水氨氮和正磷酸鹽均達標，此時出水氨氮為9.58 mg/L,出水正磷酸鹽為2.42 mg/L.

(4)對沉淀物進行的SEM和XRD表征結果顯示，沉淀物為結構致密的方型晶體，沉淀物的特征峰與MgNH4PO4·6H2O的標準PDF圖譜基本吻合，因此可以確定該沉淀物的主要成分為鳥糞石。