电渗析法处理氨氮废水研究进展

氨氮废水已引起环保领域在全球范围的重视，废水的氨氮的处理技术研究一直是各国学者研究的热门课题。氨氮废水分布广，覆盖行业多，近些年针对不同行业的多种氨氮废水的去除方法已经成熟，主要有生物脱氮法、吹脱法、折点加氯法、离子交换法等。生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水，该法技术可靠，处理效果好，主要应用于含氨化工废水和生活污水的处理。折点加氯法和离子交换法适用于不含有机物的低浓度氨氮的废水处理。
对于高浓度无机氨氮废水，如氮肥厂废水等，目前，工业上较多采用吹脱法，其单脱氨率仅为７０％，无法达到国家排放标准，且投资大，低温效率低，二次污染严重。
本研究采用电渗析法处理氮肥厂氨氮废水，该方法不仅能够有效地分离废水中的氨氮，使处理后的废水实现达标排放，而且具有能量消耗低，使用寿命长，药剂使用量少，投资少，运行费用低，操作方便。回收的氨氮可以重复利用，无二次污染，对原水水质变化适应性强，系统应用灵活，操作维修方便，容易实现机械化和自动化，预处理简单等优点，在工业废水处理中推广和应用前景。
一、实验部分
1.实验设备及装置原理

图1　自制电渗析设备

自制电渗析设备，其工艺流程见图1。
电渗析技术原理：在直流电场的作用下，电解质溶液中的离子选择性地通过离子交换膜。当氨氮废水通过该装置时，在直流电场的作用下，阳离子氨离子通过阳膜，阴离子通过阴膜，即可产生定位迁移，当阴离子通过阴极膜进入到浓水室，进一步向阳极方向移动。但是碰到阳极膜的阻挡无法穿过该膜，停留在浓水室中。阳离子通过阳极膜进入到浓水室中，进一步向阴极方向移动，同样碰到了阴极膜的阻挡无法穿过该膜，也会停留在浓水室中。这样阴阳离子同时富集在浓水室中，进入到浓水室中被浓水带出，于是进入到电渗析池中的阴阳离子被脱除，从而从水溶液和其他不带电组分中分离出来。从而实现对溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的目的。其作为一种新型的膜分离技术在天然水淡化、海水浓缩制盐、废水处理等领域起到重要作用，已经成为一种较为成熟的水处理技术。控制合适的参数，包括电压、电流、流速，在选用国产离子交换膜的条件下也可以将氯化铵浓度浓缩至12.6％。
2.实验方法
电渗析器：尺寸规格为25mm×80mm；组装方式为卧式组装，采用一级一段式，每段10对膜，膜对电压为0.2V；极板为钛镀钌电极；膜为聚丙烯均相膜。
3.分析方法
氨氮测定方法为水质－氨氮纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009）。
二、结果与讨论
1.进水流量对处理结果的影响
以模拟氨氮废水为样品，保持电压在14V不变，控制氨氮进水流量在一定范围内变化，测定出水的电导率。结果见图2。
通过图2的曲线可以看出，流量在10～20L/h范围内电导率变化不明显，出水氨氮浓度变化较小。当流量在20～40L/h范围内，电导率出现明显的上升趋势，出水氨氮去除率可达80%，随着时间延长流量增加，出水水质电导率逐渐变大，但是此时出水氨氮水质变差。因此得到最好的处理效果时空之流量在40L/h，此时出水氨氮电导率为15.67μs/cm。
当进水流量控制在40L/h，通过改变电压测定出水电导率，其电压与电导率曲线关系见图3。

图2　进水流量对处理结果的影响

图3　电压对出水电导率的影响

由图3可知，出水电导率随着电压的升高而不断下降，当电压降至14V时，电导率在15.67μs/cm，之后不再降低，因此，本实验的最佳电压为14V，最佳流量为40L/h。
2.流速对电解流程长度的影响流速对流程长度的影响见图4。

图4 流速对流程长度的影响

由图4可知，进水氨氮在电子迁移过程中边电离边迁移，流速的大小直接影响到氨氮的电离程度进而影响流程长度。流速超过最佳速度时会出现没有完全电离就随极水离开电渗析器。相反，如果流速太小会使过程效率下降。
3.氨氮浓度对处理结果的影响
氨氮浓度的高低对电渗析设备的能耗会有一定影响，浓度太高，氨氮脱除时间相对较长。氨氮浓度太低，10～20min内即可达到理想的处理效果。
但是想要得到更高的去除率不仅增加耗电量，也会出现浓水室极化结垢造成膜污染。因此，该法处理氨氮废水时应控制氨氮进水浓度。不同浓度氨氮进水在相同处理时间内出水氨氮浓度结果见表1。

表1 不同浓度氨氮进水在相同处理时间内出水氨氮浓度

通过以上数据可以看出，氨氮浓度在5000mg/L下时15min的去除率就可以达到90％～95％。氨氮浓度在10000mg/L以上时，氨氮去除率仅达到65％左右，因此在选择氨氮进水浓度时应考虑既要去除效率高，又要考虑设备运行成本。

图5 进水pH值对氨氮去除率的影响

4.进水pH值对氨氮去除率的影响
进水pH值对氨氮去除率的影响结果见图5。
对于电渗析法去除氨氮，原水的pH值是一个极为重要的参数。由图5中可以看出，pH在7～10之间电渗析对氨氮具有较高的去除效率。在pH为8左右时去除率最高可达92％。模拟氨氮废水进行试验后，由于氨氮配水本身pH为7.5左右，因此无需再调节水质pH值即可达到去除率95％。因此原水的pH直接影响到电渗析法对氨氮的去除率。pH值较低时虽然有利于氨氮离解为铵离子，但是由于浓差极化使其去除率下降，给后续处理增加困难的同时也会出现设备腐蚀问题，同时从膜污染的角度考虑，pH较高会出现胶体污染，使氨氮的电离效果下降去除率降低。通常提高废水中氨氮的传质系数，采取调节pH值，使NH＋4转化为NH3，如果需要将氨根离子全部转化为NH3，按照理论值计算需要加入等物质量的碱，这样的结果也同样可能会造成膜污染问题。因此，应用电渗析法处理氨氮废水，pH值影响可以忽略。
三、教学设备的推荐与介绍