高濃度氨氮廢水處理方法
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近年來，我國水體氨氮污染問題日益突出，氨氮已超越COD成為影響我國地表水水環(huán)境質(zhì)量的首要目標(biāo)。2011年全國排放廢水中氨氮排放量為260.4萬t〔1〕，相當(dāng)于受納水體環(huán)境容量的4倍左右。跟著《“十二五”首要污染物總量操控規(guī)劃》的出臺，氨氮污染物作為繼COD之后的第二項約束性操控目標(biāo)，是我國“十二五”期間污染物操控的要點。我國鋼鐵、煉油、化肥、石油化工、化學(xué)冶金等職業(yè)的氨氮排放量占全國工業(yè)氨氮排放總量的85.9%，氨氮去除率不到68%〔2〕。為了徹底管理污染，除改進現(xiàn)有工藝條件、下降本錢外，有必要尋覓經(jīng)濟有用的氨氮廢水處理技能，在污染管理的一起節(jié)能降耗、防止二次污染。而微波技能作為一種新式的加熱技能日益遭到注重，并已成功使用于廢水、廢氣、固體廢棄物處理等污染操控范疇。筆者比較了氨氮的首要處理辦法，總結(jié)了微波技能在高濃度氨氮廢水處理中的研討使用，評論了進一步的研討方向。
1 氨氮的首要處理辦法
根據(jù)濃度的不同，工業(yè)氨氮廢水可劃分為3 類〔3〕：（1）高濃度氨氮廢水：NH3-N>500 mg/L；（2）中等濃度氨氮廢水：NH3-N為50~500 mg/L；（3）低濃度氨氮廢水：NH3-N<50 mg/L。其中高氨氮濃度廢水一般來源于焦炭、鐵合金、煤的氣化、濕法冶金、煉油、畜牧業(yè)、化肥、人造纖維和白熾燈等生產(chǎn)進程。
現(xiàn)在，常用的脫氮辦法包含氨吹脫法（空氣吹脫與蒸汽汽提）、生化法、折點氯化法、離子交流法和化學(xué)沉淀法。這些辦法普遍具有工藝簡略、脫氮效果安穩(wěn)牢靠等特色，但也存在必定的局限性。
傳統(tǒng)生物脫氮技能是現(xiàn)在使用廣泛的脫氮辦法，但存在流程長、占地面積大、處理本錢高等問題。跟著人們對生物脫氮進程知道的深化，新的生物脫氮理論不斷涌現(xiàn)，包含一起硝化/反硝化〔4〕、亞硝酸型（短程）硝化/反硝化〔5〕、厭氧氨氧化〔6〕等，但現(xiàn)在這些理論使用于高濃度氨氮廢水處理的研討還很少〔7〕。氨吹脫法常用于高濃度氨氮廢水的預(yù)處理，但能耗大、運轉(zhuǎn)本錢高、出水氨氮仍偏高〔8〕。折點氯化法理論上能夠徹底去除廢水中的氨氮，但因為加氯量大、處理本錢高、產(chǎn)品存在危害性等問題，不適合處理許多的高濃度氨氮廢水。離子交流法因為吸附劑用量大、再生難，一般協(xié)同其他工藝處理高氨氮廢水。化學(xué)沉淀法用藥量大、本錢高，需求進一步開發(fā)廉價沉淀劑。
近年來跟著對氨氮排放要求越來越嚴(yán)厲，高濃度氨氮廢水處理日益遭到研討者注重。在原有處理辦法基礎(chǔ)上的改進工藝不斷涌現(xiàn)。趙賢廣等〔9〕針對工業(yè)上高濃度氨氮廢水吹脫法處理存在的缺點，經(jīng)過改進和優(yōu)化氨氮吹脫塔的結(jié)構(gòu)和填料，開發(fā)了一種新式循環(huán)再生復(fù)合酸氨吸收溶液，完成廢水中氨的資源化。中國科學(xué)院進程工程所、天津大學(xué)等單位合作開發(fā)出高濃度氨氮廢水資源化處理的全進程工藝和工業(yè)化使用設(shè)備〔10〕。該技能經(jīng)過精餾脫氨工藝量化規(guī)劃，完成了工業(yè)高濃度氨氮廢水的資源化處理。此外，還有電化學(xué)法、催化濕式氧化法、反滲透法以及物化法與生化法聯(lián)用等技能，但因為處理本錢高，大都用于高氨氮廢水的深度處理。
2 微波加熱的原理
微波是指頻率約在300 MHz~300 GHz，即波長為1 mm~1 m的超高頻電磁波。微波能被一些資料如水、碳、橡膠、食物、木材、濕紙等吸收，發(fā)作十分有用的即時深層加熱效果（內(nèi)加熱）〔11〕。微波加熱技能與傳統(tǒng)加熱技能的不同之處在于使物體內(nèi)部分子彼此摩擦發(fā)熱，但不引起分子結(jié)構(gòu)改變，是直接加熱物質(zhì)內(nèi)部的辦法〔12〕。這種內(nèi)加熱的原理是樣品承受微波輻照時，在電磁場的效果下首要發(fā)作離子傳導(dǎo)和偶極子滾動。一般情況下，兩種發(fā)熱辦法（離子傳導(dǎo)和偶極子滾動）一起存在〔13〕。微波的內(nèi)加熱效果可在不同的深度一起加熱，使加熱更快速、更均勻、無溫度梯度、無滯后效應(yīng)等，然后大大縮短了加熱時刻。劇烈的極性分子震蕩可使化學(xué)鍵斷裂，然后導(dǎo)致污染物的降解。關(guān)于氨氮廢水而言，微波對NH3分子與H2O分子的挑選性加熱使它們之間發(fā)作壓力差，進一步促進NH3分子與H2O分子脫離。
近年來，研討者用微波加速化學(xué)反響時發(fā)現(xiàn)了許多有別于傳統(tǒng)加熱的特別效應(yīng)〔14〕。在這些特別效應(yīng)中，有些特別效應(yīng)不能用溫度的改變解說。這些難以用溫度改變和特別溫度分布來解說的現(xiàn)象即“非熱效應(yīng)”〔15〕，并逐漸成為人們爭辯的焦點。
3 微波技能處理高濃度氨氮廢水研討進展
3.1 微波直接輻射技能
不少文獻報導(dǎo)了微波脫氮的顯著效果。針對高濃度氨氮廢水，Li Lin等〔16〕和陳燦等〔17〕別離展開了一系列研討，試驗定論根本一致。研討標(biāo)明，微波效果對高濃度氨氮廢水有較好的去除效果；pH和微波效果時刻是影響氨氮去除率的關(guān)鍵要素，曝氣效果的影響效果次之，初始氨氮濃度的影響則不顯著。在上述試驗室研討的基礎(chǔ)上，Li Lin等〔18〕開發(fā)了一套中試規(guī)模的接連微波處理工藝，處理初始質(zhì)量濃度為2 400~11 000 mg/L的武鋼焦化廢水，氨氮去除率到達80%左右，與空氣吹脫法比較經(jīng)濟本錢較低。呂早生等〔19〕將微波加熱法用于脫除煉焦剩下氨水中的氨氮，試驗成果同樣標(biāo)明強堿性是工藝條件。此外有研討發(fā)現(xiàn)，跟著溫度的升高氨氮去除率逐漸升高，但失水率也隨之升高，溫度到達80 ℃以上失水率顯著升高〔20〕。這一研討定論關(guān)于微波處理實踐焦化廢水（出水溫度已近80 ℃）具有重要的指導(dǎo)意義。
3.2 微波誘導(dǎo)催化
許多有機化合物都不直接顯著地吸收微波，但可使用某種激烈吸收微波的“敏化劑”把微波能傳給這些物質(zhì)進而誘發(fā)化學(xué)反響〔21〕。這些“敏化劑”大都是一些吸收微波才能很強的物質(zhì)，如鐵磁性金屬及其化合物、活性炭等。微波誘導(dǎo)催化技能（MIOP）的原理就是微波首要效果于含某種“敏化劑”的固體催化劑或其載體，因為其表面點位與微波能的激烈彼此效果，微波能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后使某些表面點位挑選性地被很快加熱至很高的溫度（1 400 ℃），構(gòu)成“熱門”。即便反響物不被微波直接加熱，但當(dāng)它們與“熱門”觸摸時就可能被誘導(dǎo)發(fā)作化學(xué)催化反響。
為了進一步縮短微波輻照時刻、下降能耗，在微波處理高濃度氨氮廢水的研討中，微波誘導(dǎo)催化技能遭到更多的注重。
林莉等〔22〕選用MnO2作為催化劑，別離以武鋼焦化公司污水處理廠氨氮質(zhì)量濃度為331 mg/L的生化外排水和焦化公司氨氮質(zhì)量濃度為1 350 mg/L的蒸氨廢水原水為處理目標(biāo)展開微波處理研討。研討成果標(biāo)明，MnO2存鄙人微波可在很短時刻內(nèi)將廢水加熱到較高溫度，到達快速脫氮的效果。本錢方面，微波處理費用約為12元/t，較現(xiàn)有的蒸氨工藝處理費用30元/t要經(jīng)濟得多。李熠等〔23〕比較了有無催化劑及不同催化劑存鄙人，微波輻照法對鉭鈮生產(chǎn)進程排放的氨氮廢水（氨氮質(zhì)量濃度為1 350 mg/L）的處理效果。成果標(biāo)明，在無敏化劑條件下，微波處理的氨氮去除率顯著大于相同溫度下選用常規(guī)加熱辦法得到的去除率，參加敏化劑后大大進步了微波處理的氨氮去除率。一起，研討還發(fā)現(xiàn)不同的敏化劑對氨氮去除率的進步起伏不同，活性炭作敏化劑時的氨氮去除率要優(yōu)于MnO2作敏化劑。
3.3 微波協(xié)同技能
微波協(xié)同活性炭吸附技能是現(xiàn)在使用比較成熟的廢水處理技能，首要用于難降解有機污染物的去除〔24〕。姚燕等〔25〕選用微波輻照和改性活性炭（堿液浸漬法改性）協(xié)同處理高濃度氨氮廢水。試驗發(fā)現(xiàn)，即便廢水初始pH為5.7（沒有調(diào)理），氨氮去除率也可到達95.4%，初始pH對氨氮去除率幾乎沒影響，即在改性活性炭和微波共同效果下，無需參加化學(xué)試劑調(diào)理pH也可高功率地去除氨氮。這進一步驗證了微波輻照技能處理高濃度氨氮廢水的可行性，并為工業(yè)化使用下降運轉(zhuǎn)本錢供給了新的思路。廢物滲濾液是一種高濃度難降解有機廢水，怎么一起去除COD、氨氮和色度是研討者研討的要點。龍騰銳等〔26〕使用微波催化氧化協(xié)同技能處理廢物滲濾液，首要調(diào)查不同催化劑的處理效果。試驗成果標(biāo)明，負(fù)載型Fe-O/CeO2催化劑結(jié)合氧化劑對COD、氨氮和色度均有較好的去除效果。而催化劑的改性可從效果、效益及安全角度展開進一步研討。曹俐等〔27〕研討了微波強化氧化工藝處理廢物滲濾液的可行性。研討發(fā)現(xiàn)，微波強化氧化工藝彌補了微波對COD去除率低及氧化劑對氨氮去除率低的缺點，節(jié)省了氧化劑用量。上述研討為廢物滲濾液的處理供給了新的思路。
3.4 微波對吸附劑的改性、合成和再生
天然沸石對氨氮有較好的吸贊同離子交流功能，且價格低廉。為進一步改進沸石的吸附功能，周芳等〔28〕選用微波輻射辦法對天然沸石進行改性，然后使沸石對氨氮的交流容量和挑選性進一步增強。所得改性沸石對廢水中氨氮有良好的去除效果，去除率達80% 以上，有的乃至到達90%以上。聶錦旭等〔29〕選用水處理常見的聚合鋁有用成分Al3+聚合體為柱化劑，使用微波加熱辦法制備鋁柱撐膨潤土，并研討其對廢物滲濾液氨氮的處理效果和影響要素。研討成果標(biāo)明，經(jīng)微波強化后柱撐膨潤土的層距離、比表面積、離子交流量都比原土和傳統(tǒng)柱撐膨潤土有所增加，有利于對氨氮的吸附。
正如前文所述，活性炭在微波技能處理氨氮廢水中使用廣泛，但活性炭的經(jīng)濟性首要取決于再生辦法〔30〕。微波輻照再生是在熱再生法基礎(chǔ)上開展起來的活性炭再生技能。微波加熱可使活性炭進一步活化，進步吸附容量。選用這種辦法再生活性炭，時刻短、耗能低、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡略，是一種比較抱負(fù)的活性炭再生辦法〔31〕。詳細(xì)拜見http://www.biotan.cn更多相關(guān)技能文檔。
4 展望
作為高濃度氨氮廢水處理的一種新辦法，微波技能遭到廣泛注重。但是現(xiàn)在絕大大都研討還停留在試驗室階段，較少進行擴大性中試研討，要完成工業(yè)化使用有些問題還有待進一步研討：
（1）微波效果機理仍需深化研討。從現(xiàn)在的研討成果來看，研討者注重的多是處理效果，而對微波效果機理研討較少，致使相關(guān)研討定論短少科學(xué)指導(dǎo)意義。微波的非熱效應(yīng)存在與否是現(xiàn)在研討者爭辯的焦點，怎么有用驗證非熱效應(yīng)，以及怎么得到更均勻的微波場都需求進一步探究。
（2）高效廉價催化劑的制備。現(xiàn)在選用的催化劑大多是活性炭和過渡金屬氧化物，存在催化功率低和損耗等問題，亟待尋求高效廉價的催化劑，以下降處理本錢，進步處理功率。許多選用微波技能去除難降解有機污染物的研討成果值得參考學(xué)習(xí)。
（3）微波處理設(shè)備的研制。現(xiàn)在研討選用的微波發(fā)作設(shè)備大部分是將家用微波爐加以改裝，反響腔體多選用現(xiàn)有的玻璃儀器，短少高效、安穩(wěn)、安全的專用微波設(shè)備〔32〕。修整器應(yīng)在充沛分析微波技能優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)相關(guān)范疇規(guī)劃經(jīng)歷，合理立異規(guī)劃微波設(shè)備的反響腔體，進步設(shè)備反響進程的自動操控水平，研制能夠接連運轉(zhuǎn)、可組合的微波設(shè)備。
（4）完善氨收回設(shè)備。微波脫氮的機理是經(jīng)過微波的熱效應(yīng)將廢水中的氨氮敏捷以氨的形狀蒸騰去除，如果能收回使用，能夠完成變廢為寶。因而，在研制微波處理設(shè)備的一起，也要配套規(guī)劃專門的氨氣收回設(shè)備，下降微波處理的運轉(zhuǎn)本錢，更好地完成工業(yè)化使用。
信任跟著理論研討的深化，微波技能的開展，微波技能在高濃度氨氮廢水管理方面將具有寬廣的使用潛力和開展前景。