黃焱，竺葉青(湖北荊州環(huán)境保護科學技術有限公司，湖北 荊州 434023)張利(長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

目前，我國氨氮排放量已遠遠超出受納水體的環(huán)境容量，氨氮排放量成為影響地表水環(huán)境質(zhì)量的首要指標，水中的高濃度氮會與磷一起導致水體富營養(yǎng)化，發(fā)生赤潮等自然災害，致使水中的魚類等動物大量窒息死亡，水體質(zhì)量進一步惡化，形成惡性循環(huán)。氨氮來源于生活污水和工業(yè)廢水。生活污水屬于低濃度含氮廢水，已有成熟的處理方法[1～3]，而工業(yè)廢水含氮量很高，處理相對困難。常用的高氨氮廢水處理方法有吹脫法[4]、化學沉淀法[5]以及離子交換法[6]?；瘜W沉淀法費用高，離子交換法處理容量小，因此高效經(jīng)濟的脫氨氮方法就顯得尤為重要。吹脫法工藝成熟，運行穩(wěn)定并且效率高，受到環(huán)保行業(yè)的青睞。

響應曲面法是一種能夠很好研究影響因子與響應值之間關系的試驗設計方法，不僅試驗次數(shù)少、精度高且預測性好，已成功應用于各個領域[7～9]。下面，筆者采用響應曲面法研究吹脫過程中溫度、初始pH值、氣液比及其交互作用對吹脫法處理廢水中氨氮去除率的影響規(guī)律，以期為實際工程操作提供參考依據(jù)。

1 試驗部分

圖1 試驗裝置圖

1.1 試驗材料

試驗水樣取自荊州某制藥工廠，氨氮含量3000～5000mg/L。試驗所用吹脫填料為聚乙烯塑料制成的蜂窩填料，比表面積200m2/m3，空隙率97%。

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要由曝氣機、填料、反應槽體等構成。該試驗采用動態(tài)試驗，采用提升泵把調(diào)節(jié)好pH值的廢水定量的加入到吹脫裝置中，吹脫裝置采用蜂窩填料，增加水氣接觸面積。裝置底部裝有曝氣砂頭，按設定的試驗條件進行曝氣反應，每次試驗吹脫 120min測定氨氮去除率。

1.3 響應曲面設計

設定吹脫時間為120min，選定溫度、pH值和氣液比為影響因子，基于CCD響應曲面法的影響因子水平及編碼見表1。

2 結果與討論

根據(jù)設計的方案進行試驗，結果見表2。其中以A(溫度)、B(氣液比)、C(pH值)為變量，建立了氨氮去除率Y的二次回歸方程模型如下：

Y= 74.96+8.34A+10.22B+14.59C-3.12AB-0.62AC+6.88BC

-1.62A2-11.06B2-6.39C2

表1 基于CCD響應曲面法的影響因子水平及編碼

表2 CCD試驗方案及結果

表3 回歸方程的方差分析

由表3所示的方差分析結果可知，溫度、氣液比和pH值3因子作用效果顯著，3個因子影響強弱順序為pH值、氣液比、溫度，這與Bonmati通過試驗研究吹脫法去除氨氮各因素影響順序一致[10]?？梢娨_到吹脫系統(tǒng)對氨氮的高效去除，3個因素都要兼顧考慮到，可以重點控制pH值。表3中數(shù)據(jù)P值表明，溫度、氣液比和pH值這3個因素之間存在一定的交互作用，具體的交互影響見圖2、圖3、圖4所示的等高線(代表氨氮去除率)和響應曲面圖。

從圖2看出，氨氮的去除率隨著溫度的增加而逐漸增加，隨著氣液比的增加先增加而后逐漸減小。由圖3看出，氨氮去除率隨著溫度和pH值的增加都是逐漸增加的，因此兩者交互影響的圖像呈現(xiàn)半圓錐形。圖4的結果進一步驗證了圖2和圖3的因素影響趨勢。

曝氣量影響著NH3的傳質(zhì)速率，過大過小都不宜NH3的解析。隨著空氣逐漸鼓吹至廢水中，一方面增加了氣液相的接觸，使氨在氣相中的分壓逐漸降低，氨的濃度差擴大，氨的解吸推動力變大了，導致水中溶解的氨不斷從液相逸出進入氣相，使廢水中氨氮濃度隨著分壓降低而不斷降低。另一方面，氣體流量增加又會縮短處理時間，降低動力消耗。但氣體流量過大會使投資成本增加，并且操作中容易引發(fā)液泛，增加工程費用。

圖2 溫度和氣液比對氨氮去除率影響的等高線和響應曲面圖

圖3 溫度和pH值對氨氮去除率影響的等高線和響應曲面圖

圖4 氣液比和pH值對氨氮去除率影響的等高線和響應曲面圖

隨著溫度的升高，吹脫效率也逐漸增高。這可能有2個方面的原因，一是銨根離子在水中的擴散程度隨著溫度的升高而增大，傳質(zhì)系數(shù)的增加使生成氨氣反應進行的更加快速和徹底。另一方面，氨氣的平衡分壓隨溫度的升高而增大，氨氣在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，水溫的升高會導致氨氣的蒸發(fā)以及加速兩相之間的轉(zhuǎn)移。促進了氨氣的進一步生成，從而提高了氨氮的去除率[12]。

該模型預測氨氮去除率最大值為92.16%，最優(yōu)組合條件為：溫度為50.5℃、氣液比為3126、pH值為11.5。為驗證預測結果，采取上述條件進行3次平行試驗，得到氨氮平均去除率為90.21%。實測值與預測值的相對偏差僅為1.95%，說明該模型對吹脫法去除氨氮的預測較為準確可靠。

3 結論

1)運用響應曲面對初始pH值、溫度和氣液比進行模型擬合，發(fā)現(xiàn)氨氮去除率Y與溫度(A)、氣液比(B)、pH值(C)之間的關系如下：

Y= 74.96+8.34A+10.22B+14.59C-3.12AB-0.62AC+6.88BC

-1.62A2-11.06B2-6.39C2

2)響應曲面優(yōu)化運行參數(shù)得到最佳工藝組合條件為：溫度50.5℃、pH值11.5、氣液比3126，預測氨氮去除率可達92.16%。采取上述最佳條件組合進行3次平行試驗，得到氨氮平均去除率為90.21%。實測值與預測值的相對偏差僅為1.95%，說明該模型對吹脫法中氨氮去除率的預測較為準確可靠。

[參考文獻]

[1]馮志江,戴捷,劉文,等.A/O-MBR處理低C/N生活污水的脫氮因素研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學,2015,54(10):2354～2357.

[2] 戴捷,馬玉寶,陳麗雯,等.厭氧水解-二段生物接觸氧化處理生活污水試驗研究[J].水處理技術,2013,39(4):90～92.

[3] Ki -Pal Kim,Ahmed Z.Biodegradation of two model estrogenic compounds in a preanoxic/anaerobic nutrient removing membrane bioreactor[J]. Desalination,2009,24(1/2/3):265～272.

[4] 陳曦.吹脫-厭氧-好氧串聯(lián)工藝處理化學合成制藥廢水[J].水處理技術, 2008,34(5):43～45.

[5] 高健磊,閆怡新,吳建平,等.化學沉淀法處理高濃度氨氮廢水工藝條件研究[J].環(huán)境科學與技術,2008,31(10):114～117.

[6] 楊朗,李志豐.低濃度氨氮廢水的離子交換法脫氮[J].環(huán)境工程學報, 2012,6(8):2715～2719.

[7] 吳曼,馮志江,劉會應,等.響應曲面法優(yōu)化HMBR去除TN的工藝條件[J].環(huán)境工程學報,2015,9(5):2073～2078.

[8] 宿程遠,李偉光,王勇,等.Box-Behnken 響應曲面優(yōu)化鐵炭微電解降解結晶紫[J].環(huán)境工程學報,2013,7(1):7～13.

[9] Fu Haiyan,Xu Pengcheng,Huang Guohe,et al.Effects of aeration parameters on effluent quality and membrane fouling in a submerged membrane bioreactor using Box-Behnken response surface methodology[J].Desalination,2012,302:33～42.

[10] Bonmati A,Flotats X.Air stripping of ammonia from pig slurry:characterization and feasibility as a pre-and post-treament to mesophilic anaerobic digestion[J]waste management，2003,23(3):261～272.

[11] 彭人勇,陳康康,李艷琳.超聲吹脫去除氨氮的機理和動力學研究[J].環(huán)境工程學報,2010,4(12): 2811～2814.

[12] 孫業(yè)濤,郭瓦力,單譯,等.吹脫法處理粉煤制氣工藝高濃度氨氮廢水[J].化學工業(yè)與工程, 2010,27(6): 486～489.