吹脱法去除铜氨络合废水中氨氮的试验研究

60给水排水 Vol.32 No.1 2006吹脱法去除铜氨络合废水中氨氮的试验研究孙长顺 金奇庭 金炎龙 郭新超(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安 710055)摘要 针对含有铜氨络合离子([Cu(NH 3)4]2+)的废水,采用吹脱工艺去除其中的氨氮污染物。

理论分析了溶液的pH 、铜氨络合离子浓度与游离氨在总氨氮中所占比例之间的关系。

通过试验研究了pH 、气水比和过塔风速对吹脱效率的影响。

结果表明,在水温15 ,铜氨络合废水起始氨氮浓度200mg /L,气水比4000,pH 10.8时,经循环吹脱后,氨氮去除率达96%。

关键词 氨氮 铜氨络合离子 吹脱 在印制电路的蚀刻工序中,产生含有铜氨络合离子的废水,该废水的化学组成主要包括氨水、氯化铜和氯化氨,其中铜离子浓度约40~50mg/L,氨氮浓度约200mg /L 。

以前人们仅仅关注其中的重金属污染问题,而忽略了氨氮的污染[1,2]。

由于铜氨络合废水的生物毒性和高氨氮含量,采用吹脱法是最佳的选择。

当水中存在铜氨络合离子[Cu(N H 3)4]2+时,一部分氨氮被束缚在络合离子中,这给吹脱带来了一定的困难。

与此相关的研究也少见报道[3]。

本研究目的是探求水中存在铜氨络合离子时,氨氮的吹脱与其影响因素之间的关系,确定吹脱的工艺参数。

另外,本研究利用高度较低的吹脱塔,采用循环吹脱的运行方式,这在吹脱工艺上也是一次新的尝试。

1 试验与方法1.1 试验装置图1 试验装置示意循环吹脱装置(见图1)由循环泵、吹脱塔、引风机、水槽以及计量设备组成。

吹脱塔直径400mm,高度1800m m;填料由高度30m m 、厚度8m m 的松木条交错排列组成,填料层高度1000m m 。

1.2 废水和检测方法分析仪器分别有可见光分光光度计、pH S 3C酸度计和微压差计。

pH 采用pH S3C 酸度计测定,NH 3-N 采用纳氏试剂分光光度法测定。

风量是通过微压差计测定管道中的动静压差,计算求得。

试验用废水为某印制板厂的铜氨络合废水,氨氮200m g/L 。

2 结果与讨论2.1 铜氨络合离子浓度、pH 与溶液总氨氮中游离氨所占比例的关系一般的含氨废水中,游离氨(NH 3)与铵离子(NH +4)保持着平衡的状态,仅受pH 的影响。

当溶液中存在铜氨络合离子时,游离氨的比例不仅与pH 有关,还受铜氨络合离子浓度的影响:[NH 3][NH 3]+[NH +4]+[Cu(NH 3)2+4] 100%=11+K 2K w10-p H+4K 1KspK w 210-pH 2[Cu(NH 3)2+4]34100%(1)K 1=4 7 1012,K 2=1 65 10-5,K sp =2.2 10-20根据式(1)可以得到图2。

由图2可以看到,当[Cu(NH 3)4]2+=0时,水中游离氨的比例随着pH 的升高而逐渐增大,当pH >11的时候,水中90%以上的氨氮都是以游离氨的形式存在。

还应该注意到,在相同的pH 下,[Cu(NH 3)4]2+浓度越低,游离氨的比例越高。

当pH =10,[Cu (NH 3)4]2+=WATER &WASTEWAT ER ENGINEERING给水排水 V ol.32 No.1 2006612m ol/L 时,游离氨仅占24%,而当[Cu(NH 3)4]2+=0.2m ol/L 时,却高达58%。

当[Cu (N H 3)4]2+为无穷大时,游离氨的比例将趋近于零。

计算结果表明,铜氨废水中氨氮浓度为200mg/L 时,[Cu(N H 3)4]2+浓度非常小,也就是说,低浓度的铜氨络合离子对氨氮吹脱的影响微乎其微。

图2 不同铜氨络合离子浓度pH 与游离氨所占比例的关系2.2 pH 与吹脱后氨氮去除率的关系通过初步的试验可知,循环吹脱130min 后,出水中的氨氮浓度不再变化。

因此,在室温15 ,过塔风速2.8m/s,气水比为4000时,调节废水的pH 进行循环吹脱130m in,考察pH 与吹脱后氨氮残留浓度及其去除率的关系,其结果见图3。

图3 pH 与出水氨氮残留浓度及其去除率的关系从图3可以清楚地看到,pH 的变化对出水氨氮浓度的影响。

曲线以pH =10.8为分界点,在分界点之前,出水氨氮浓度随pH 的增加而迅速降低,当pH =9.3时,出水氨氮浓度为122mg/L,去除率仅41%。

而在分界点之后,氨氮残留浓度随pH 变化缓慢,当pH =10.8时,出水氨氮浓度只有7.5mg /L,去除率高达96%。

即使pH 增加到12,氨氮去除率也只有96.5%。

这个规律与不含[Cu(NH 3)4]2+时的氨氮吹脱相似[4]。

即pH 较高时,低浓度的铜氨络合废水等同于一般意义上的氨氮吹脱。

根据以上的试验和分析,确定吹脱的最佳pH 10.8。

2.3 气水比与氨氮去除率的关系废水在pH =11,过塔风速2.8m/s 条件下,气水比与氨氮出水残留浓度及其去除率的变化规律见图4。

图4 气水比与出水氨氮浓度及其去除率的关系图4显示,氨氮去除率随着气水比的增大而升高。

与pH 的影响相似,气水比4000是分界点。

分界点之前,氨氮去除率随着气水比的增加而迅速升高,气水比2000时,出水氨氮浓度为43mg /L,去除率小于80%。

而分界点之后,即使气水比再增加,氨氮去除率几乎不再变化。

如气水比4000时,氨氮去除率94%。

而当气水比增加到6000时,氨氮去除率几乎不变。

随着水中游离氨浓度的降低,与液相平衡的氨气分压和氨气在过塔空气中的分压梯度相应减小,传质速率逐渐降低。

当气水比大于4000时,经过一定时间的吹脱,传质速率非常小,因此出水中氨氮浓度也就不再变化了。

另一方面,从吹脱塔物料平衡分析可知[5],在水温为10 时,最小理论气水比为2489m 3/m 3,而20 时最小理论气水比为1656m 3/m 3。

但在实际吹脱过程中,塔顶气相中氨的浓度与液相中的浓度未达到平衡状态,所以实际气水比约为理论气水比的1.5~2倍。

因此气水比4000是最佳的工艺参数。

同时应当注意到,图4表现出的规律与常规吹脱过程相似[6]。

2.4 过塔风速对氨氮去除率的影响试验比较了5组相同的气水比条件下,风速分别为2.8m/s 和4.4m /s 时,氨氮的去除率(见图WAT ER &WASTEWA TER ENGINEERING62给水排水 Vol.32 No.1 20065),以及气水比3500下,两个不同风速的循环吹脱过程中,废水氨氮浓度随时间的变化关系(见图6)。

图5 风速与氨氮去除率的关系图6 废水氨氮浓度逐时变化(气水比为3500)由图5可知,风速4.4m/s 的试组中,氨氮的去除率均大于2.8m/s 的试组。

当风速4.4m/s 时,氨氮的去除率不随气水比的变化而变化。

从图6也可以看到相似的规律。

由液体的表面特性知道,在液滴的表面水膜形成时的表面张力最小,此时氨的释放量最大。

一旦液滴完全形成,气体的转移也就很少再增加。

因此反复地形成水滴,然后再聚成水是氨吹脱的关键。

这也是选择吹脱塔填料形式的关键。

提高过塔风速,一方面使液滴水膜形成的时间延长;另一方面也减小了气相传质边界层的厚度,加快了气膜的传质速率,从而使氨分子快速地转移至空气相,残留在废水中的氨浓度也就减少了。

值得注意,当气水比为3500,过塔风速为4.4m/s 时,循环吹脱114min 时废水中残留氨氮浓度仅6.6mg/L,而相同条件下,风速为2.8m /s 时却为37mg/L 。

因此,当气水比较小时,提高氨氮吹脱效率的便捷途径是提高过塔风速。

在试验中还观察到,当过塔风速超过某一数值后,空气将夹携大量的废水从风管喷出,影响正常的吹脱过程,同时提高过塔风速后,增加了系统的动力消耗和运行费用。

因此实际过塔风速的选择应通过经济技术分析后确定。

3 结论(1)理论表明,低浓度铜氨络合离子的存在不足以影响正常的吹脱过程。

通过试验证实,采用吹脱工艺除去低浓度铜氨络合废水氨氮的可行性。

(2)吹脱过程中,pH 在很大程度上影响氨吹脱效率。

当pH 10.8,废水起始氨氮浓度200m g/L 时,采用循环吹脱,历时130m in,氨氮去除率达96%,出水达到排放标准。

(3)与常规吹脱过程相似,当气水比大于最佳值4000时,气水比对氨氮吹脱效率的影响不显著。

(4)提高过塔风速有利于氨氮的吹脱,该值的选择应通过经济技术分析后确定。

参考文献1 华彬,陆永生,蒋毅.铜氨络合溶液的超声处理研究.化学世界,2000,增刊:76~772 单宝田,张爱滨.沸石对重金属废水中Cu(NH 3)2+4的吸附性能研究.水处理技术,2002,28(4):207~2093 张键,于林堂,季俊杰.铜酞菁颜料生产废水的处理工艺.南京林业大学学报(自然科学版),2003,27(5):59~624 郑兴灿,李亚新编著.污水除磷脱氮技术.北京:中国建筑工业出版社,19985 梅特卡夫和埃迪公司编著.废水工程处理、处置及回用.第2版.北京:中国建筑工业出版社,19866 吴方同,苏秋霞.吹脱法去除城市垃圾填埋场渗滤液中的氨氮,给水排水,2001,27(6):20~24通讯处:710055 西安建筑科技大学环境与市政工程学院电话:(029)82202061E m ail:clark.sun@ 收稿日期:20050707修回日期:20050929厦门海水冲厕工程已取得预可行性研究成果为促进厦门市水资源的可持续利用,引导海水利用工作快速发展,厦门市委托国家海洋局第三海洋研究所和国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所联合承担的 厦门市翔安区海水冲厕工程预可行性研究 工作目前已取得中期成果。

翔安区海水冲厕工程实施后,可利用海水有效替代占城市生活用水量35%左右的冲厕用淡水,每年可节约淡水760万m 3,能有效缓解翔安区淡水资源紧缺的问题。

(丹 丹)WATER &WASTEWAT ER ENGINEERING。