氨氮是水體中重要的好氧污染物之一，直接排入水體將會對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害。我國在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2000)中規(guī)定氨氮的標準限制范圍為0.02~150mg/L。常見傳統(tǒng)處理氨氮的工藝有生物脫氮法、離子交換法、化學沉淀法、催化濕式氧化法等，但這些方法不僅去除效果低而且會帶來二次污染的問題。為了減少處理過程中氨氮對環(huán)境的二次污染問題，膜方法逐漸成為主流研究的趨勢。常見的膜技術(shù)有真空膜脫氨、膜蒸餾脫氨、膜吸收脫氨、膜生物反應(yīng)器脫氨等。本文主要以脫氨膜集成裝置為基礎(chǔ)，采用新型的脫氨膜工藝，研究其對滲濾液中氨氮的去除效率，意在尋求一種新的去除滲濾液中氨氮的工藝。
1、實驗材料和方法
實驗所用脫氨系統(tǒng)進水為氯化銨與超濾清液配置的不同濃度梯度的高氨氮廢水，COD值為1100mg/L，初始pH為6.5，硬度為558.56mg/L(以碳酸鈣計)。實驗中所測定的指標及測定方法如表1所示。
實驗運行參數(shù)為含氨廢水適宜pH為11.5，進膜溫度不得高于45℃，進水表面張力大于60mN/m，出水壓力表達0.1Mpa，酸路進水壓力小于0.1Mpa，運行時為0.09Mpa，當氨氮濃度為300~500mg/L時，酸路的pH為2，當氨氮濃度超過1000mg/L后，適宜的酸路pH值為1.0，集成設(shè)備處理量為2000L/h。
2、實驗結(jié)果與討論
2.1 膜吸收法去除氨氮工藝參數(shù)優(yōu)化
2.1.1 進水pH對氨氮去除效果的影響
脫氨集成裝置的設(shè)計流量為2m3/h，進水端壓力為0.120Mpa，出水端壓力為0.102Mpa，酸路壓力表為0.090Mpa，酸路pH值為0.12，氨氮初始濃度為3800~4100mg/L，實驗溫度分別為22~27℃之間，調(diào)節(jié)進水pH為11.55、11.94和12.94，取反應(yīng)液測定廢水中氨氮的去除率，實驗結(jié)果如圖1。
由圖1(a)可看出，進水pH較低時，由于氨氮未能完全變?yōu)橛坞x態(tài)NH3，需要通過濃度差傳質(zhì)動力來推動脫氨整個過程。隨著含氨廢水pH的增大，單支膜的去除率明顯提升，但含氨廢水的pH值不得超過11.5，若長期脫氨廢水超過11.5，將會損傷脫氨膜的空間結(jié)構(gòu)，縮短脫氨膜的使用壽命。隨著含氨廢水經(jīng)過六支脫氨膜的脫氨處理過程后，pH為11.55、氨氮含量為4100mg/L時，經(jīng)過六級脫氨之后，出水氨氮的含量為967mg/L，整體去除率達到了76.41%。當pH為12.94時，經(jīng)六級脫氨之后出水氨氮為362mg/L，氨氮脫除率達到了90.22%。從圖1(b)看出，隨著pH的上升，單支膜對氨氮的去除率有明顯的提高。本實驗采用pH值為11.5~12.0進行后續(xù)脫氨實驗。
2.1.2 氨氮初始濃度對氨氮去除效果的影響
調(diào)節(jié)氨氮的初始濃度分別為1160mg/L、1750mg/L、2500mg/L、4100mg/L、6130mg/L，原水濾前壓力0.218MPa，原水濾后壓力0.204MPa，進水端壓力0.120MPa，進水端流量2000m3/h，出水端壓力0.107MPa，進酸壓力0.090MPa，pH為12，溫度16.4℃，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.3m3/h。實驗結(jié)果如圖2和圖3所示。
由圖2可以看出，濃度較低時，六支脫氨膜對于氨氮的去除率相比于高濃度廢水的氨氮脫除率會高一些，出現(xiàn)的基本特征就是隨著廢水側(cè)氨氮的濃度升高，去除率呈現(xiàn)下降的趨勢，這個原因主要歸結(jié)于氨在水中的締合作用。這種多個分子組合成的締合水分子中的水分于排列得比較松散，分子的間距比較大。由于氫鍵具有一定的方向性，因此在單個水分子組合為締合水分子后，水的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。一是締合水分子中的各單個分子排列有序，二是各分子間的距離變大。所以導(dǎo)致氨氮的去除率呈現(xiàn)降低的趨勢。
從圖3可以看出，氨氮初始濃度越低，氨氮的累積去除率也越低，一個原因主要是分母基數(shù)大原因，另一個原因是上面提到的締合作用。
在本組實驗中，含氨廢水經(jīng)過六支脫氨的處理之后，pH從11.49降低至10.1~10.5之間。由于溫度較低，所以5組實驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的氨氮脫除率均比較低。
2.1.3 溫度對氨氮去除效果的影響
調(diào)節(jié)溫度為19℃、28℃、32.6℃、37℃、40.1℃和44.5℃，進水端壓力0.120MPa，進水端流量2000L/h，出水端壓力0.108MPa，進酸壓力0.088MPa，進酸pH為0.12，氨氮初始濃度在3500~4100mg/L之間，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.9m3/h，實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。
由圖4可知膜吸收法處理揮發(fā)性污染物氨氮時，溫度對傳質(zhì)速度的影響是顯著的，隨原料液一側(cè)溫度由19℃增加至45℃，單支膜氨氮的去除率從25%提高至59%。由于溫度上升，揮發(fā)性物質(zhì)氨的蒸氣分壓明顯增加，提高了傳質(zhì)推動力，氨氮總體去除率則從82.5%提高到了99%，其中含氨廢水的pH從初始的11.8降低至10.5。從圖5可看出，當堿含量足夠時，升高溫度可使累計脫氨效率從80%提升至99.2%。考慮到滲濾液氨氮含量為3000mg/L左右，所以在40.1℃以及44.5℃兩個點做初始濃度為3000~3500mg/L范圍內(nèi)的脫氨實驗，在40.1℃和44.5℃時經(jīng)過脫氨膜的各項水質(zhì)指標以及單支膜的去除率分別見表2和表3所示。
2.2 最佳實驗條件下重復(fù)性
為了考察脫氨膜脫除氨氮效果的穩(wěn)定性，在以下的操作參數(shù)下進行三組實驗來評價該條件下脫氨的穩(wěn)定性。含氨廢水三次重復(fù)脫氨實驗的單支膜進出水水質(zhì)以及各單支膜的氨氮去除效率見表4、表5以及表6所示。
從表3、表4和表5可看出，在最優(yōu)的試驗條件下，初始濃度為4100mg/L的含氨廢水經(jīng)六級脫氨膜處理后，氨氮含量可降至50~70mg/L，整體去除率達到98.49%，單支膜的均去除率維持在50%左右。
從實驗數(shù)據(jù)可得出結(jié)論為：在溫度為44℃左右、氨氮廢水的pH為11.6、初始濃度在3200~4000mg/L時，含氨廢水的氨氮可降至70mg/L以內(nèi)，當初始濃度為3200mg/L時，可去除至32mg/L。
2.3 控制藥劑成本后氨氮的脫除效率
本著考慮該工藝在工程實踐中的實用性，考慮到項目現(xiàn)場在生化階段每方新鮮滲濾液投加液堿的量為11.25L，本實驗考慮將藥劑成本控制在30元/t考察膜法吸收脫氨對氨氮的去除情況。本部分共設(shè)計兩個實驗，一個是溫度在25℃情況下運行，另一個實驗溫度44.3℃。結(jié)果如下：
實驗一反應(yīng)溫度44.3℃，操作運行參數(shù)：原水濾前壓力0.221MPa，原水濾后壓力0.164MPa，進水端壓力0.108MPa，進水端流量2000L/h，出水端壓力0.102MPa，進酸壓力0.088MPa，進酸pH為1.0，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.8m3/h；溫度44.3℃。
藥劑消耗程度如下：堿液投加6L，初始濃度氨氮為3200mg/L。堿耗成本為13.17元/t，酸耗13.26元/t，清洗成本0.2元/t；藥劑共計26.43元/t。
本段成本共計26.43+72.91=99.34元/t。
實驗結(jié)果如下：
從上表7可看出隨著pH降低至8.26，氨氮的脫除效率很低，且pH與氨氮的變化趨勢相同，部分氨氮透過脫氨膜到達酸側(cè)，消耗了堿，pH降低，在經(jīng)過六支膜的脫除之后，總的去除率為25.08%。
實驗二的反應(yīng)溫度為25℃。操作運行參數(shù)：原水濾前壓力0.221MPa，原水濾后壓力0.164MPa，進水端壓力0.108MPa，進水端流量2000L/h，出水端壓力0.102MPa，進酸壓力0.088MPa，進酸pH為1.0，酸濾前壓力0.258MPa，酸濾后壓力0.256MPa，酸流量5.8m3/h；溫度25℃。
藥劑消耗程度：堿液投加6L，初始濃度氨氮為3200mg/L。堿耗成本為13.17元/t，酸耗10.21元/t，清洗成本0.2元/t；藥劑共計32.97元/t。(均為工程采購價)
成本共計13.17+10.21=23.38元/t。
實驗結(jié)果如下表所示：
從上表8可知，在堿耗和溫度降低的情況下，氨氮的去除率很低，pH在8.8左右時，單支膜去除率為3%左右，經(jīng)六支膜去除之后，累計氨氮的脫除效率僅有13%左右。
2.4 銨鹽儲罐與酸循環(huán)的濃度
硫酸銨的濃度為184.66g/L(18%)，銨鹽儲罐中硫酸銨的濃度難繼續(xù)提高，原因在于想達到較好的脫氨效果，必須保持酸路pH值在1.0~1.4之間，而酸路的液體主要是從硫酸循環(huán)罐中流出，外加補充的新酸降低酸循環(huán)罐中的pH，所以硫酸循環(huán)罐將會隨著脫氨時間的進行達到它的容積負荷，此時需要抽出硫酸循環(huán)罐中的一部分的混合液體至銨鹽儲罐，此時的銨鹽儲罐中的pH將會是1.7左右。為保證酸路pH，銨鹽需要及時抽出。酸循環(huán)罐中銨鹽的濃度為92.16g/L。
3、結(jié)論
(1)當溫度達到40~45℃，pH調(diào)至11.5之后，單支膜的氨氮均去除率在55%左右，4000mg/L的氨氮可去除至70mg/L以下。當氨氮初始濃度為3200mg/L時，可去除至30mg/L。
(2)從核算的成本來看，氨氮初始濃度為4000mg/L的廢水噸水處理成本為171.89元/t，其中電耗占43.72%，液堿占44.4%。
(3)將藥劑成本壓縮至33元/t之后，在45℃左右的情況下，脫氨成本為105.88元/t，其中，藥劑消耗32.97元，電耗72.91元。可將氨氮濃度3270mg/L脫至2450mg/L。整體去除率為25.08%。如果將藥劑成本壓縮至33元/t，在25℃的狀態(tài)下脫氨，可從3310mg/L脫至2880mg/L。（來源：維爾利環(huán)保科技集團股份有限公司，鞍山市達道灣污水處理有限責任公司）
