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6种常见脱氮工艺优缺点对比表!

发表时间:2021-07-02 15:02作者:小莱

近20年来, 对氨氮污水处理方面开展了较多的研究。其研究范围涉及生物法、物化法的各种处理工艺,目前氨氮处理实用性较好国内运用最多的技术为:传统生物脱氮法、氨吹脱汽提法、折点氯化法、化学沉淀法、离子交换法、膜法等。


1、常用脱氮工艺简介


1、传统生物脱氮


传统的生物脱氮技术始于上世纪30年代,真正应用于20世纪70年代。自Barth三段生物脱氮工艺的开创,A/O工艺、序批式工艺等脱氮工艺相继被提出并应用于工程实际。

三段生物脱氮工艺



三段生物脱氮工艺流程如图所示,该工艺是将有机物降解、硝化作用以及反硝化作用三个阶段独立开来,每一阶段后面都有各自独立的沉淀池和污泥回流系统。第一段曝气池的主要作用是代谢分解有机物,并使有机氮氨化。第二段硝化池主要进行硝化反应,将氨氮氧化,同时需投加碱度以维持一定的pH值。第三段是反硝化反应器,硝态氮在缺氧条件下被还原为N2,安装搅拌装置使污泥混合液呈悬碳源以满足浮状态,并外加反硝化反应所需的碳源。

A/O生物脱氮工艺



A/O 生物脱氮工艺如图所示,该工艺将缺氧段置于系统前端,其发生反硝化反应产生的碱度能够少量补充硝化反应之需。另外,缺氧池中反硝化反应利用原废水中的有机物为碳源可以减少补充碳源的投加甚至不加。通过内循环将硝化反应产生的硝态氮转移到缺氧池进行反硝化反应,硝态氮中氧作为电子受体,供给反硝化菌的呼吸作用和生命活动,并完成脱氮工序。

在 A/O 生物脱氮工艺中,硝化液回流比对系统的脱氮效果影响很大。若回流比控制过低,则无法提供充足的硝态氮进行反应,使硝化作用不完全,进而影响脱氮效果;若控制过高,则导致硝化液与反硝化菌接触时间减短,从而降低脱氮效率。因此,在实际的运行过程中需要控制适当的硝化液回流比,使系统脱氮效果达到最佳水平。

序批式脱氮工艺(例如CASS)

序批式脱氮工艺与A/O工艺相比,其运行方式有所不同,但在脱氮反应机理上基本与A/O生物脱氮工艺一致。序批式工艺为间歇的运行方式,采用一个独立的反应池替代了传统的由多个具有不同功能的反应区组合而成的A/O生物脱氮反应器。序批式脱氮工艺以时间的交替方式实现了缺氧/好氧环境,取代了传统空间上的缺氧/好氧,因其具有简单的结构和灵活的操作方式而倍受研究者的关注和研究。

2、氨吹脱

吹脱法的基本原理是气液相平衡和传质速度理论。废水中的NH3-N通常以铵离子(NH4+)和游离氨(NH3)的状态把持平衡而存在的:

NH4++OH↹NH3+H2O

当PH为中性时,NH3-N主要以铵离子(NH4+)形式存在,当PH值为碱性,NH3-N主要以游离氨(NH3)状态存在吹脱法是在沸水中加入碱,调节PH值至碱性,先将废水中的NH4+转化为NH3,然后通入蒸汽或空气进行解吸,将废水中的NH3转化为气相,从而将NH3-N从水中去除。常用空气或水蒸气作载气,前者称为空气吹脱,后者称为蒸汽吹脱。

而控制吹脱效率高低的关键因素是温度、气液比和pH。

在水温大于25 ℃,气液比控制在3500左右,渗滤液pH控制在10.5左右,对于氨氮浓度高达2000~4000mg/L的垃圾渗滤液,去除率可达到90%以上。吹脱法在低温时氨氮去除效率不高。

采用超声波吹脱技术对化肥厂高浓度氨氮废水(例如882mg/L)进行了处理试验。最佳工艺条件为pH=11,超声吹脱时间为40min,气水比为1000:1试验结果表明,废水采用超声波辐射以后,氨氮的吹脱效果明显增加,与传统吹脱技术相比,氨氮的去除率增加了17%~164%,在90%以上,吹脱后氨氮在100mg/L以内。

为了以较低的代价将pH调节至碱性,需要向废水中投加一定量的氢氧化钙,但容易生水垢。同时,为了防止吹脱出的氨氮造成二次污染,需要在吹脱塔后设置氨氮吸收装置。

在处理经UASB预处理的垃圾渗滤液(2240mg/L)时发现在pH=11.5,反应时间为24h,仅以120r/min的速度梯度进行机械搅拌,氨氮去除率便可达95%。而在pH=12时通过曝气脱氨氮,在第17小时pH开始下降,氨氮去除率仅为85%。据此认为,吹脱法脱氮的主要机理应该是机械搅拌而不是空气扩散搅拌。


3、离子交换


离子交换法实际上是利用不溶性离子化合物(离子交换剂)上的可交换离子与溶液中的其它同性离子(NH4+)发生交换反应,从而将废水中的NH4+牢固地吸附在离子交换剂表面,达到脱除氨氮的目的。常用的离子交换工艺主要是沸石吸附除氨氮。


利用沸石中的阳离子与废水中的NH4 进行交换以达到脱氮的目的。沸石一般被用于处理低浓度含氨废水或含微量重金属的废水。然而,蒋建国等探讨了沸石吸附法去除垃圾渗滤液中氨氮的效果及可行性。小试研究结果表明,每克沸石具有吸附15.5mg氨氮的极限潜力,当沸石粒径为30~16目时,氨氮去除率达到了78.5%,且在吸附时间、投加量及沸石粒径相同的情况下,进水氨氮浓度越大,吸附速率越大,沸石作为吸附剂去除渗滤液中的氨氮是可行的。

用沸石离子交换法处理经厌氧消化过的猪肥废水时发现Na-Zeo、Mg-Zeo、Ca-Zeo、k-Zeo中Na-Zeo沸石效果最好,其次是Ca-Zeo。增加离子交换床的高度可以提高氨氮去除率,综合考虑经济原因和水力条件,床高18cm(H/D=4),相对流量小于7.8BV/h是比较适合的尺寸。离子交换法受悬浮物浓度的影响较大。

应用沸石脱氨法必须考虑沸石的再生问题,通常有再生液法和焚烧法。采用焚烧法时,产生的氨气必须进行处理。

4、膜过滤


利用膜的选择透过性进行氨氮脱除的一种方法。这种方法操作方便,氨氮回收率高,无二次污染。蒋展鹏等采用电渗析法和聚丙烯(PP)中空纤维膜法处理高浓度氨氮无机废水可取得良好的效果。电渗析法处理氨氮废水2000~3000mg/L,去除率可在85%以上,同时可获得8.9%的浓氨水。此法工艺流程简单、不消耗药剂、运行过程中消耗的电量与废水中氨氮浓度成正比。PP中空纤维膜法脱氨效率>90%,回收的硫酸铵浓度在25%左右。运行中需加碱,加碱量与废水中氨氮浓度成正比。

乳化液膜是种以乳液形式存在的液膜具有选择透过性,可用于液-液分离。分离过程通常是以乳化液膜(例如煤油膜)为分离介质,在油膜两侧通过NH3的浓度差和扩散传递为推动力,使NH3进入膜内,从而达到分离的目的。


5、折点加氯法


折点加氯法是投加过量的氯或次氯酸钠,使废水中的氨氮氧化成氮气的化学脱氮工艺。该方法的处理效率可达到90% ~100%,处理效果稳定,不受水温影响。但运行费用高,副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染。折点氯化法除氨机理如下:


Cl2+H2O→HOCl+H++Cl-


NH4++HOCl→NH2Cl+H++H2O


NHCl2+H2O→NOH+2H++2Cl-


NHCl2+NaOH→N2+HOCl+H++Cl-


6、磷酸铵镁沉淀法(鸟粪石法)


向含氨氮废水中投加Mg2+和PO43-,三者反应生成MgNH4PO4•6H2O(简称MAP)沉淀。此法工艺简单,操作简便,反应快,影响因素少,能充分回收氨实现废水资源化。该方法的主要局限性在于沉淀药剂用量较大,从而致使处理成本较高,沉淀产物MAP的用途有待进一步开发与推广。


Mg2++ PO43-+ NH4+= MgNH4PO4


Mg2+一般由MgCL2提供, MgCL2分子量为95; PO43-一般由NaH2PO4提供,分子量145,不考虑其他因素,理论上计算得去除1kg NH4+需要MgCL27.6kg, NaH2PO410.36kg, 按工业级MgCL22.5元/kg, 工业级NaH2PO43.0元/kg计算,去除1kg NH4+的药剂成本为50元.产生磷酸铵镁沉淀18kg(不考虑结晶水)

2、常用脱氮工艺优缺点对比表



处理方法

基本优点

主要缺点

适用范围

传统生化法

工艺成熟,脱氮效果较好。

流程长,反应器大,占地多,常需外加碳源,能耗大,成本高。

低浓度氨氮废水

氨吹脱法(汽提法)

工艺简单,效果稳定,适用性强,投资较低。

能耗大,有二次污染,出水氨氮仍偏高。

各种浓度废水,多用于中、高浓度废水

离子交换法

工艺简单,操作方便,投资较省。

树脂用量大、再生难,费用高,有二次污染。

低浓度氨氮废水

膜过滤

操作方便,氨氮回收率高,无二次污染

投资成本太大,而且对废水的水质要求太高

废水水质较好的氨氮废水

折点氯化法

设备少,投资省,反应速度快,能高效脱氮。

操作要求高,成本高,会产生有害气体。

各种浓度废水,多用于低浓度废水

磷酸铵镁

沉淀(MAP)法

工艺简单,操作简便,反应快,影响因素少,节能高效,能充分回收氨实现废水资源化。

用药量大、成本高;MAP用途有待开发,容易引起出水磷超标。

各种浓度废水、尤其高浓度氨氮废