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城市污水回用于循環(huán)冷卻水時氨氮去除論文
摘要:污水回用中氨氮去除有許多方法。當(dāng)經(jīng)處理的城市污水回用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時,利用冷卻塔的曝氣作用,控制pH7.0~8.0,污水含氨氮20~50 mg/L,濃縮倍數(shù)為2的條件下,可使循環(huán)水的氨氮濃度<1mg/L。
關(guān)鍵詞:城市污水 污水回用 循環(huán)冷卻水
在城市污水中,特別是經(jīng)過二級處理后污水中的氮,90%以上是以氨的形式存在,以氨氮形式脫氮,比去除硝酸鹽氮容易而經(jīng)濟(jì),在某些場合并不要求脫除總氮而只對脫除氨氮有要求。氨在工業(yè)循環(huán)水殺菌處理時會增加用氯量。氨對某些金屬,特別是銅具有腐蝕性,當(dāng)再生水作為冷卻水回用時,要考慮冷卻設(shè)備腐蝕損害問題。因而在考慮將經(jīng)處理的城市污水回用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時,氨氮的去除尤為重要。
氨氮的去除有以下方法:
1 折點加氯法
廢水中含有氨和各種有機(jī)氮化物,大多數(shù)污水處理廠排水中含有相當(dāng)量的氮。如果在二級處理中完成了硝化階段,則氮通常以氨或硝酸鹽的形式存在。投氯后次氯酸極易與廢水中的氨進(jìn)行反應(yīng),在反應(yīng)中依次形成三種氯胺:
NH3 + HOCl → NH2Cl(一氯胺) + H2O
NH2Cl + HOCl → NHCl2(二氯胺) + H2O
NH2Cl + HOCl→ NCl3(三氯胺) + H2O
上述反應(yīng)與pH值、溫度和接觸時間有關(guān),也與氨和氯的初始比值有關(guān),大多數(shù)情況下,以一氯胺和二氯胺兩種形式為主。其中的氯稱為有效化合氯。
在含氨水中投入氯的研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)投氯量達(dá)到氯與氨的摩爾比值1∶1時,化合余氯即增加,當(dāng)摩爾比達(dá)到 1.5∶1時,(質(zhì)量比7.6∶1),余氯下降到最低點,此即“折點”"。在折點處,基本上全部氧化性的氯都被還原,全部氨都被氧化,進(jìn)一步加氯就都產(chǎn)生自由余氯。
在廢水處理中,達(dá)到折點所需氯總是超過質(zhì)量比7.6∶1,當(dāng)污水的預(yù)處理程度提高時,到達(dá)折點所需氯量就減少。三種處理出水加氯量見表1。
表1 折點加氯需氯量[1] 廢水處理程序 Cl2:NH3-N到達(dá)折點所需質(zhì)量比
經(jīng)驗值 建議設(shè)計值
原水 10:1 13:1
二級出水 9:1 12:1
二級出水再石灰澄清過濾 8:1 10:1
折點加氯產(chǎn)生酸,當(dāng)氧化1 mg/L NH3-N時,需14.3 mg/L的堿度(以CaCO3計)來中和,實際上,由于氯的水解,真正需要的堿度為15 mg/L。大多數(shù)情況下,pH值將略有降低。
為了達(dá)到折點反應(yīng)所加入的氯劑,除形成次氯酸外,還增加廢水中的總?cè)芙夤腆w含量。在廢水復(fù)用情況下,溶解固體的含量可能成為影響回用的障礙。投加不同氯劑對總?cè)芙夤腆w的影響見表2。
表2 折點加氯對TDS的影響 化學(xué)藥劑的投加 總?cè)芙夤腆w的增加:消耗的NH3-N
以氯氣進(jìn)行折點氯化 6.2:1
以次氯酸鈉進(jìn)行折點氯化 7.1:1
投氯氣后,用石灰中和全部酸度 12.2:1
投氯氣后,用NaOH中和全部酸度 14.8:1
折點加氯法因加氯量大,費用高,以及產(chǎn)酸增加總?cè)芙夤腆w等原因,目前尚未見以此為主要除氨方法的污水廠在運行。
2 氨吹脫
在廢水中,銨離子和氨氣相互轉(zhuǎn)化:
當(dāng)pH為7時,只有銨離子存在,在pH為12時,只有氨氣存在,在適當(dāng)條件下溶解氨能從廢水中釋出。
氨吹脫工藝是將水的pH值提到10.8~11.5的范圍,在吹脫塔中反復(fù)形成水滴,通過塔內(nèi)大量空氣循環(huán),氣水接觸,使氨氣逸出。
環(huán)境溫度低于0℃時,氨吹脫塔實際上無法工作[2]。當(dāng)水溫降低時,水中氨的溶解度增加,氨的吹脫率降低。由于水中碳酸鈣垢在吹脫塔的填料上沉積,可使塔板完全堵塞。另外,吹脫塔的投資很高。因此,國外原有的吹脫塔基本上都已停運。
3 選擇性離子交換法
使用選擇性離子交換劑--斜發(fā)沸石進(jìn)行離子交換是近期開發(fā)的工藝[3],廢水中的銨離子將斜發(fā)沸石中的鈉或鈣替代出來,失效的沸石使用再生液再生,再生液通過氨吹脫塔脫氨。斜發(fā)沸石是沸石中的一種,在美國西部有幾處礦床自然存在。沸石的交換容量可由廢水的離子濃度來估計,同時要進(jìn)行半生產(chǎn)性試驗,有的用4.8kg/m3。
此法存在的問題是:再生液需要再次脫氨;在沸石交換床內(nèi),氨解吸塔及輔助配管內(nèi)存在碳酸鈣沉積;廢水中有機(jī)物易造成沸石堵塞而影響交換容量,須用各種化學(xué)及物理復(fù)蘇劑除去粘附在沸石上的有機(jī)物。目前這種方法應(yīng)用也不多。
4 生物法脫氨
目前,生產(chǎn)中經(jīng)常大量采用的方法是生物法脫氨[4]。污水處理到硝化階段,生物反應(yīng)在完成碳的氧化后再完成氮物質(zhì)的氧化,使氨氮能氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。但這樣需延長生物處理時間,并增加供氧量,這將使生物處理的基建投資和供氧動力增加,無疑會增加污水處理廠的負(fù)擔(dān),加大廢水回用成本。
5 循環(huán)水系統(tǒng)脫氨
該法是我國“八五”科技攻關(guān)成果[5]。中國市政工程東北設(shè)計研究院課題組將再生水作工業(yè)冷卻水回用的研究工作中,提出利用循環(huán)水系統(tǒng),特別是冷卻塔,進(jìn)行脫氨。循環(huán)水系統(tǒng)只要運行得法,掌握一定條件,在發(fā)揮冷卻作用的同時,可以作為脫氨兼用,既不需增加處理費用,又使水質(zhì)達(dá)到回用要求,從而解決了氨氮指標(biāo)影響回用的這一關(guān)鍵技術(shù)。
5.1 循環(huán)水系統(tǒng)脫氨的效果
循環(huán)水系統(tǒng)由冷卻塔、循環(huán)泵和換熱設(shè)備組成。在冷卻塔內(nèi),水與空氣接觸,進(jìn)行蒸發(fā)冷卻,然后供換熱設(shè)備循環(huán)使用。冷卻塔由于蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污而需補(bǔ)充水,當(dāng)將城市污水再生處理后作為補(bǔ)充水進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)中時,補(bǔ)充水中的氨氮在冷卻塔內(nèi)得以脫除。這一規(guī)律在試驗和工業(yè)化實踐中所證實。表3是某廠使用再生水的循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)分析的典型數(shù)據(jù):
表3 某廠使用再生水的循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)分析 項目 補(bǔ)充水(再生水) 循環(huán)水
pH 7.0 7.9
硬度/(mg·L-1) 150 330
堿度/(mg·L-1) 95 150
Cl-/(mg·L-1) 121 282
NH3-N/(mg·L-1) 13 0.4
CODCr/(mg·L-1) 21 30
SS/(mg·L-1) 4.2 4.4
注:硬度、堿度均以CaCO3計。
城市污水經(jīng)二級和深度處理后,氨氮尚有10~30 mg/L左右,進(jìn)入冷卻系統(tǒng)后,在濃縮倍數(shù)2的情況下,氨氮達(dá)到0.4 mg/L的低值。且不隨濃縮倍數(shù)增加和運行時間長短而積累。表3說明在工業(yè)用水實踐中,循環(huán)水系統(tǒng)中氨氮可小于1.0 mg/L,滿足包括電力工業(yè)在內(nèi)的工業(yè)循環(huán)冷卻水氨氮指標(biāo)小于1 mg/L的要求。
5.2 影響氨氮去除的因素
氨氮的去除機(jī)理是由于循環(huán)水系統(tǒng)是一個特殊的生態(tài)環(huán)境,合適的水溫,很長的停留時間,巨大的填料表面積,充足的空氣等等優(yōu)良條件促使氨氮轉(zhuǎn)化。據(jù)測定,80%為硝化作用,10%為解吸作用,10%為微生物同化作用,三種作用綜合,而以硝化為主。因此,下列因素對氨氮的去除有影響。
5.2.1 冷卻塔濃縮倍數(shù),停留時間
冷卻塔的濃縮倍數(shù)與節(jié)水效果直接相關(guān),濃縮倍數(shù)越高,補(bǔ)給水量越少,循環(huán)水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時間越長。
循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的平均停留時間從公式(1)求得:
T=V/(Qb+Qm) (1)
式中 T—水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時間,h;
V—循環(huán)水系統(tǒng)容積,m3,一般為循環(huán)小時流量的1/3~1/5;
Qb—排污和泄露損失水量,m3/h;
Qm—風(fēng)吹損失水量,m3/h。
例如1×104 m3/h的循環(huán)水系統(tǒng),當(dāng)濃縮倍數(shù)為2時,循環(huán)水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時間為12.5 h;當(dāng)濃縮倍數(shù)為5時,停留時間為50h�？梢娖渫Ａ魰r間很長[6]。
當(dāng)濃縮倍數(shù)2以上,城市污水中氨氮含量為20~50 mg/L時,循環(huán)水中氨氮濃度可小于1mg/L。我國大多數(shù)工業(yè)冷卻系統(tǒng),濃縮倍數(shù)在2左右,所以,大多數(shù)工廠的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)都具有很高的去除氨氮的能力,這一去除氨氮的創(chuàng)新技術(shù),具有普遍推廣價值。
5.2.2 堿度和pH
經(jīng)計算,每氧化lgNH3-N要消耗堿度7.14g(以CaCO3計)。當(dāng)堿度不足時,應(yīng)當(dāng)補(bǔ)加。
循環(huán)水系統(tǒng)pH要保持在7.0~8.0,使循環(huán)水的pH值適宜硝化菌的活動。
5.2.3 溫度
亞硝酸菌最佳生長溫度為35℃,硝酸菌的最佳生長溫度為35~42℃,在適宜的溫度下,硝化菌活性高增長快,對氨氮的去除能力增強(qiáng)。通常冷卻塔水的溫度長期保持在25~40℃范圍內(nèi),恰是在硝化菌最適宜的溫度范圍內(nèi),并且不存在低溫時硝化菌效能減退問題。這是任何市政污水處理構(gòu)筑物無法比擬的。
5.2.4 供氧量
計算得出,將lgNH3-N氧化為NO2--N需耗氧3.43g,將lgNO2--N,需耗氧1.14g,硝化作用共耗氧4.57g。氨氮的硝化應(yīng)保證空氣量為硝化所需空氣量的50倍。
在冷卻塔內(nèi),每立方米水的空氣量可達(dá)2000 m3,供氧充足,溶解氧可以達(dá)到飽和。這樣高的空氣量可以提高溶解氧向液膜的傳遞速率,有利于硝化活動的進(jìn)行。
5.2.5 生物膜
污水經(jīng)二級處理和深度處理后,水中還含有一定數(shù)量的細(xì)菌和有機(jī)物,在冷卻塔填料表面很容易形成一層生物膜。冷卻塔填料有點滴式、膜板式、網(wǎng)格狀、蜂窩狀等多種形式,表面積在100~350 m2/m3。巨大的表面積為生物膜生長提供了良好場地,雖然填料的比表面積大,但由于循環(huán)水是補(bǔ)充水的幾十倍,可看作高倍數(shù)回流,因此填料不會有脫水現(xiàn)象發(fā)生。避免了生物膜干化而影響活性。由于再生水的BOD小于10 mg/L,加上循環(huán)水有大量稀釋能力,因而合成代謝所形成的新細(xì)胞數(shù)量很小,膜的增殖脫落量不大,不會發(fā)生填料間隙的堵塞問題。按計算,每氧化1mg NH3-N產(chǎn)生0.15mg新細(xì)胞,當(dāng)原水為20mg/L NH3-N時,也只產(chǎn)生3.0mg/L懸浮物,數(shù)量很少。工程實踐也證明,已使用再生水的循環(huán)水系統(tǒng)懸浮物很低,填料不堵塞,冷卻塔也并不因其具有硝化功能而增加排污。循環(huán)水系統(tǒng)脫氨已經(jīng)成功運行數(shù)年。
6 結(jié)語
經(jīng)深度處理的城市污水,含氨氮20~50 mg/L時,在循環(huán)冷卻水的pH值為7~8、濃縮倍數(shù)為2的條件下,循環(huán)水中的氨氮濃度可小于1 mg/L。因此使用經(jīng)深度處理的城市污水作為工業(yè)循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水,不會造成循環(huán)水中氨氮的積累。
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