氨氮废水处理

目前随着化肥、石油化工等行业的迅速发展壮大，氨氮废水的水量每年也在一断增长，氨氮废水排入水体不仅引起水体富营养化、造成水体黑臭，给水处理的难度和成本加大，甚至对人群及生物产生毒害作用，所以氨氮废水必须经过处理达标后方可排放。

氨氮废水是工业三高废水之一，处理难度大，以前常用的处理方法是吹脱法，但这种方法存在很多缺点，渐渐被脱氨膜法取代。依斯倍环保脱氨膜法处理氨氮废水不仅提高了氨氮的去除率还大大降低了能耗，为企业节省运行成本，是目前较受业主青睐的处理方法。希望每一家企业都能将废水处理达标，这样我们的生活环境才能越来越美。

氨氮废水是在工业生产中产生的工业废水，包括了大量氨氮元素，如果这些包含氨氮元素的工业废水通过直接排放的方式排入江河湖泊，将会对我国的生物环境长生较大的不可逆转的危害。氨氮废水处理技术是通过科学的方法对氨氮废水进行净化处理的污水处理系统，使之变成可利用的生活资源，达到满足工业生产的目的。文章主要针对氨氮废水处理技术研究进展的难题及发展方向进行了分析。

关键词：氨氮废水;废水处理技术;发展瓶颈;发展方向

1 前言

工业时代对重工业的发展势头直至今日仍不见其减缓的意思，水泥加工厂、化肥生产厂等对环境造成极大地危害，而生产工厂现今仍是许多地区发展的经济支柱，对氨氮废水处理技术不可避免的引起了人们的热议。而且氨氮废水处理技术现已涉及到广大人民的农业活动、国家环境问题、国民经济发展、人民生活等各方各面，随之增加的还有其工作的困难性与复杂性。虽然有了近些年来众多学者实践总结出的经验，但是氨氮废水处理技术也暴露出了大量问题。

2 产生故障因素

氨氮废水处理技术的环境保护型发展概念至今已相当成熟，它有一套完整的理论体系及分类方式。笔者通过对相关文献的查询，就这三个方面做出以下整理分析。

2.1自身技术受限

随着工业新时代的来临，人们的经济生活水平逐步提高，在追求更高生活标准的同时，对自身生活环境的要求也随之增加。氨氮废水处理技术如果技术过于陈旧、处理效率过低不仅会对废物利用观念下的污水厂系统专业的发展造成影响，而且对社会中各方面会产生负面的连带作用。但是由于受到基础化学和应用化学发展的限制，氨氮废水处理技术到现在为止仍是一个技术难题。相关理论和技术的发展速度缓慢，甚至停滞不前的原因表现在方方面面。其中主要有两点十分突出，一方面是基础物理进展缓慢，氨氮废水处理技术不达标，发展至今日，传统化学除污废水处理工艺仍是应用比较广的技术，其废水处理效率及效果已不在满足生产需求;另一方面，传统化学除污废水处理工艺技术耗资巨大，所以导致许多厂家采取不配合的方式，医用难度较大，到目前为止并没有给人们带来十分明显的利益，也没有引起人们足够的重视。新型氨氮废水处理技术一经提出就得到了国际社会的广泛关注，人们也对其营造的现代化的能源的由来方式充满了无尽的向往。到目前为止该设备仍处于初始阶段，但其已为人类带来相应的效益，发展势头一片良好。

2.2生物氨氮废水处理技术发展受限

前文提到传统的氨氮废水处理技术是当下工厂应用较为广泛的污水处理系统，但是其在应用过程中暴漏出大量的问题，其中有两个方面较为突出，一方面，传统氨氮废水处理技术理论技术受限，造成处理效率过低的问题，即使工厂都配置了氨氮废水处理系统，其处理后的废水人股能达到国家的废水排放标准;另一方面，废水处理技术步骤过于繁杂，工厂如果配置一整套的污水处理系统，将要引进大量的机械设备，其将会占用大量的工厂建设面积，废水处理费用也会成为工厂的一项较大开支，这会引起企业工厂的排斥反应，国建监管难度较大。生物氨氮废水处理技术是时下比较先进的包括氨氮废水处理在内的污水处理系统，他是生物学上的一个理论突破，为更为有效的废水处理提供可一个新的思路，但是当下该理论仍处于初步实行阶段，相关的应用受到极大的限制。

2.3氨氮废水处理技术人员能力受限

因为传统氨氮废水处理技术受限，一个好的技术工作人员在整个氨氮废水过程中起到的作用仍十分重大。技术工工作的准确性直接影响到工程的进展，甚至工作的成败。故障产生的一个重要来源表现在对氨氮废水处理机器的使用过程中产生的偏差，他们不良的甚至错误的操作方式，是产生这种误差的主要原因，例如操作时时采取的习惯大相径庭，观测时选用的角度大相径庭等。在操作过程中技术人员所造成的误差也是造成锻造过程检定和测量出现差错的一个重大缘由，对知识的掌握半生不熟、动手实践能力相对较差、操作流程没有搞明白等都可找到端疑，此外对仪器进行校准也会使实验结果产生较大偏差。不管科学技术发展到何种水平，人在其中的作用仍是至关重要的不可忽视的，它的作用往往在于统领全局，所以只要人好对人的管理才不至于最后功亏一篑。

3 技术及应用发展方向

3.1传统技术的革新依然是关键

加大资金投入，尽快发展相关理论(化学基础研究)和技术水平(应用化学)，相关领域的发展以及技术水平的提升，是解决氨氮废水处理技术应用发展中问题的釜底抽薪的方法。在通信方式高度发达的今天，通过媒体的报道人们逐渐意识到了环境安全问题，所以环境安全问题就被人们推到了风口浪尖的位置，运营商对其安全性的管理的压力也与日俱增，保证其安全稳定的运营成了重中之重。这应当引起各国政府以及相关民间，企业组织的足够重视。只有通过这个方法才能解决现存的，才能解决的技术难题，使得氨氮废水处理技术水平达到一个从所未有的新高度，这不仅可以给人带来永久的利益，还会给人们带来了永久性的便利收获。大力发展相关理论(化学基础研究)和技术水平(应用化学)方面的理论基础，以及提升相关的技术水平是当下最应该注意的东西。

3.2大力发展生物氨氮废水处理技术

生物氨氮废水处理技术是时下比较先进的包括氨氮废水处理在内的污水处理系统，他是生物学上的一个理论突破，为更为有效的废水处理可提供一个新的思路，但是当下该理论仍处于初步实行阶段，相关的应用受到极大的限制。但是其有效的氨氮废水处理效率是值得人们对其投入较大的资金及人力的，在发展传统技术的基础上，关注发展生物氨氮废水处理技术是一种比较明智的发展选择。微生物的深入研究是生物废水处理的工作重点，找到能有效分解氨氮的微生物是研究方向，相信生物的力量永远是人类的技术无法超越的。

3.3生物氨氮废水处理技术人员技术培养是重点

通过的人员的管理和其技术手段提升，来降低当前故障排查工作毛病产生的原因是目前技术所限大背景下，一种最为快捷有效的解决方法，因此在操作过程中需尽可能的按照规程、规范来执行。在操作过程中测量人员所造成的误差也是造成电学计量检定和测量出现差错的一个重大缘由，对知识的掌握半生不熟、动手实践能力相对较差、操作流程没有搞明白等都是当前工作的重点。通过大数据处理器与问题机械分析仪，实现数据的快速收集与故障实时检测的目的;通过氨氮废水处理技术所用设备的故障实时智能检测与机械正常安全运行使用的管理理念相结合，达到氨氮废水处理技术系统优化现有的维修管理资源的目的。为提高氨氮废水处理技术设备可靠安全的工作能力、为预防可怕的工作事故发生提供先进的实用技术支持。

4 结束语

在人类科技文化迅速发展的今天，环保型经济发展的观念已逐渐深入人心，未来社会将是一个环保文明的社会。人们对此抱着美好的憧憬同时政府及民间企业对其投资也十分巨大。氨氮废水处理技术在人类未来社会中将扮演着至关重要的角色。它是发展环保型现代经济的技术基础，为人们的可持续发展提供发展便利，愿我们的生活多一分智能，心情多一些愉快，展望未来希望我们给予岁月文明。

混酸法制备氧化铁红〔1〕过程中会产生大量呈酸性的高浓度氨氮废水，其经烧碱中和沉淀法预处理后，其中的pH、色度、SS均可满足排放标准要求，但氨氮浓度仍然很高。目前，对于高氨氮废水的处理技术主要包括折氯法〔2〕、吹脱法〔3〕、化学沉淀法〔4〕和生物脱氮法〔5〕等。其中，磷酸铵镁（MAP）结晶沉淀法〔6〕，又称鸟粪石结晶沉淀法，作为一种有效脱氨氮技术，受到研究者的广泛关注，已成功应用于各种高浓度氨氮废水的处理中。MAP法去除废水中氨氮的原理是向废水中投加镁盐和磷酸盐，其中的Mg2+和PO43-在碱性条件下可与废水中的NH4+发生反应生成MgNH4PO4·6H2O,从而脱除废水中的氨氮。

研究表明〔7〕，影响MAP脱氮效果的主要因素为废水氨氮浓度、镁盐投加量、磷酸盐投加量、pH以及反应条件如反应时间、反应转速等。由于可变因子多，利用常规的单因素实验以及正交实验并不能研究出各种因素之间的相关关系，无法得到因素与响应值之间明确的函数表达式。而响应面分析法〔8〕是基于多元二次回归方程拟合各影响因素和响应值之间的函数关系，对于实验研究选取的条件和得到的结果，能够进行全方位的数学分析。与正交实验相比，它具有更高的回归方程精度和更多维度的分析，同时能够显示出各种不同因素之间的交互作用，因此被广泛应用于各类废水的处理研究当中。基于此，笔者采用响应面法对鸟粪石法处理氧化铁红厂高氨氮废水进行了优化研究。

1 材料与方法

1.1 实验废水

实验废水取自广东某氧化铁红厂经烧碱中和沉淀法预处理后的氧化铁红生产废水，其主要特点为氨氮浓度较高，可生化性差，呈弱碱性。其水质：pH 为8.5~9.0,氨氮为570~630 mg/L,色度 为4~8倍。

1.2 分析方法

NH3-N的测定采用纳氏试剂分光光度法；正磷酸盐的测定采用钼酸铵分光光度法；Mg2+的测定采用EDTA滴定法。

1.3 实验方法

取250 mL水样置于500 mL烧杯中，将烧杯置于搅拌机上，搅拌（240 r/min）过程中按不同物质的量比加入MgCl2·6H2O和无水Na2HPO4.反应期间，用HCl或NaOH来调节反应体系pH,反应时间为20 min.反应结束后，将溶液静置30 min,取上清液进行水质分析；沉淀物经预处理后，采用LS-15型扫描电镜和XRD-6000型XRD衍射仪进行分析〔9〕。

2 结果与讨论

2.1 BBD分析实验设计和结果

根据Box-Benhnken的中心组合实验原理，选取影响鸟粪石法处理氨氮废水效果的3个主要因素pH、n（N）∶n（Mg）和n（N）∶n（P）,设计了3因子3水平共 17 个实验点的实验方案。实验方案和结果见表 1 ,其中实验序号由Design-Expert 7.0软件随机产生。

2.2 实验结果分析

2.2.1 曲面的拟合及分析

采用Design-Expert 7.0软件对实验结果进行二次响应曲面回归，得到如下模型：

式中A、B、C均为各因素的实际值，D为氨氮去除率（%）。

对上述模型进行了回归系数显着性分析，结果表明，该模型的Prob>F小于0.000 1,表示该模型是显着的；同时，该模型的决定系数R2=0.999 9,调整决定系数Adj R2=0.999 7,说明该模型的拟合可靠性很高。因此，该模型能够较为准确地分析和预测鸟粪石法处理氧化铁红厂氨氮废水的最佳反应条件。对自变量的显着性检验结果表明，A、B、C、BC、A2、B2、C2是显着的模型因素。

2.2.2 最佳反应条件的确定

对表 1的数据进行降维分析，研究pH、n（N）∶ n（Mg）和n（N）∶n（P） 3个因素中某一因素固定时，其他2个因素对氨氮去除率的影响以及各因素之间的交互作用，结果如图 1所示。

图 1不同因素对氨氮去除率影响的三维曲面图

由图 1可知，以A为中心值时，B和C对氨氮去除率的影响的响应面的等高线形状为椭圆，说明 n（N）∶n（Mg）和n（N）∶n（P）交换作用显着。分别以B和C作为中心值时，响应面的等高线为圆形，说明反应的pH和n（N）∶n（Mg）、n（N）∶n（P）之间并无显着的交互作用，它们相互并不影响。

通过对模型的最优化求解，得到氨氮去除率的最大估计值为99.77%,相应的A（pH）的最优解为9.39,B〔n（N）∶n（Mg）〕的最优解为0.80,C〔n（N）∶n（P）〕的最优解为0.80.

2.2.3 验证实验

为了进一步考察模型的准确性和实用性，在相同的条件下进行了1组对照实验，与相应的模型预测值进行比较，结果如表 2所示。

由表 2可知，模型的预测值与实际实验值的最大相对误差<5%,说明该模型具有良好的准确性和预测效果。

2.2.4 出水正磷酸盐的变化规律

磷属于必须严格控制的常见污染物之一，在用鸟粪石法处理氧化铁红厂高氨氮废水时必须控制出水中正磷酸盐的浓度。出水中正磷酸盐含量主要由Na2HPO4的投加量决定，Na2HPO4的投加量过大，不仅会造成浪费，而且会带来出水磷超标的二次污染。

取4份200 mL氨氮废水加入到500 mL烧杯中，氨氮初始质量浓度为580 mg/L.在n(N)∶n(Mg)=0.8∶1,反应体系pH为9.39,搅拌速度为240 r/min,反应时间为20 min的条件下，改变Na2HPO4的投加量，使n(N)∶n(P)分别为1.2、1.0、0.9、0.8,考察出水正磷酸盐的变化规律，结果如表 3所示。

由表 3可知，采用鸟粪石法处理氧化铁红厂氨氮废水时，在一定范围内提高Na2HPO4的投加量有利于氨氮的去除，Na2HPO4投加过量，会使出水正磷酸盐浓度迅速升高，造成二次污染。由实验结果可知，当n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.8∶1∶1时，氨氮脱除率最高，但出水正磷酸盐含量超标;当n(N)∶n(Mg)∶n(P)=1∶1∶1时，出水正磷酸盐含量能够达到排放标准，但此时出水氨氮浓度较高，须进行进一步处理。

2.2.5 镁盐投加量与出水水质的关系

分析表 3可得，要使出水氨氮和正磷酸盐均达标，在不改变其他反应条件的情况下，可行的方法是不仅需要投加的MgCl2·6H2O和Na2HPO4过量，而且MgCl2·6H2O的投加量要高于Na2HPO4的投加量。因此，实验固定n(N)∶n(P)=0.9∶1,通过提高镁盐的投加量，研究出水水质随镁盐投加量的变化规律。

取6份200 mL氨氮废水加入到500 mL烧杯中，氨氮初始质量浓度为580 mg/L.在反应体系pH=9.39,反应时间为20 min,搅拌速度为240 r/min的条件下，分别按照n(N)∶n(Mg)∶n(P)为0.9∶1∶1、0.9∶1.05∶1、0.9∶1.1∶1、0.9∶1.15∶1、0.9∶1.2∶1和0.9∶1.25∶1向废水中投加一定量的MgCl2·6H2O和Na2HPO4,考察镁盐投加量与出水水质的关系，结果如图 2所示。

图 2镁盐投加量与出水水质的关系

由图 2可以看出，当投加的正磷酸盐和镁盐均过量时，出水氨氮和正磷酸盐浓度均随着镁盐浓度的增加而下降。当n(N)∶n(Mg)∶n(P)由0.9∶1∶1升高至0.9∶1.25∶1时，出水氨氮由26.78 mg/L下降至9.58 mg/L,同时出水正磷酸盐由31.54 mg/L下降至2.42 mg/L.实验结果表明，当废水中的氨氮浓度和正磷酸盐投加量一定时，提高镁盐投加量，可在提高氨氮脱除效果的同时降低出水正磷酸盐浓度。当n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.9∶1.25∶1时，出水氨氮能够达到排放标准要求，且出水正磷酸盐浓度较低。

2.3 沉淀产物分析

鸟粪石法沉淀产物的分子式为MgNH4PO4·6H2O,根据其分子式可计算得出沉淀产物中氨氮、正磷酸盐和镁离子的理论值分别为285.24 、630.98 、495.29 mg/L。

收集鸟粪石法处理氧化铁红厂氨氮废水的沉淀物，用蒸馏水洗净过滤后，于40 ℃下烘48 h,并于使用前恒重30 min.称取恒重后的沉淀物5.00 g,溶解于1 mol/L的稀盐酸中，定容于1 L容量瓶中。根据测量方法的需要，分别稀释成不同倍数，分析溶液中的氨氮、正磷酸盐和镁离子含量。结果表明，沉淀物中氨氮、正磷酸盐和镁离子质量浓度分别为259.28、720.33、446.92 mg/L,与MgNH4PO4·6H2O的理论值基本一致，说明沉淀物主要成分为鸟粪石。

对沉淀物进行SEM和XRD表征，结果如图 3和图 4所示。

图 3沉淀产物的SEM表征结果

图 4沉淀物的XRD表征结果

由图 3可以看出，沉淀物的形状较为规则，具有斜方晶形的特点，且结构紧密，与MgNH4PO4·6H2O的晶体结构相近。由图 4可以看出，沉淀物的特征峰与MgNH4PO4·6H2O的标准PDF图谱基本吻合，因此可以进一步确定该沉淀物的主要成分为鸟粪石。

3 结论

采用鸟粪石法对氧化铁红厂高氨氮废水进行处理，以pH、n(N)∶n(Mg)和n(N)∶n(P)为主要影响因素，通过响应面法对处理过程进行了优化设计，结果表明：

(1)响应面法能够准确地分析和预测pH、n(N)∶n(Mg)和n(N)∶n(P)对脱氨氮效果的影响，3个因素中只有n(N)∶n(Mg)和n(N)∶n(P)之间存在交互作用。

(2)通过二次曲面模型预测的最佳实验条件∶ pH=9.40,n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.8∶1∶1,此条件下氨氮去除率为99.77%.该结果与实际实验值吻合度高，相对误差<5%.

(3)采用鸟粪石法处理氧化铁红厂氨氮废水，当n(N)∶n(Mg)∶n(P)=0.9∶1.25∶1时，可使出水氨氮和正磷酸盐均达标，此时出水氨氮为9.58 mg/L,出水正磷酸盐为2.42 mg/L.

(4)对沉淀物进行的SEM和XRD表征结果显示，沉淀物为结构致密的方型晶体，沉淀物的特征峰与MgNH4PO4·6H2O的标准PDF图谱基本吻合，因此可以确定该沉淀物的主要成分为鸟粪石。