城市污水回用于循环冷却水时氨氮去除

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    摘要:污水回用中氨氮去除有许多方法。当经处理的城市污水回用于工业循环冷却水系统时,利用冷却塔的曝气作用,控制pH7.0~8.0,污水含氨氮20~50 mg/L,浓缩倍数为2的条件下,可使循环水的氨氮浓度<1mg/L。
    关键词:城市污水 污水回用 循环冷却水
    在城市污水中,特别是经过二级处理后污水中的氮,90%以上是以氨的形式存在,以氨氮形式脱氮,比去除硝酸盐氮容易而经济,在某些场合并不要求脱除总氮而只对脱除氨氮有要求。氨在工业循环水杀菌处理时会增加用氯量。氨对某些金属,特别是铜具有腐蚀性,当再生水作为冷却水回用时,要考虑冷却设备腐蚀损害问题。因而在考虑将经处理的城市污水回用于工业循环冷却水系统时,氨氮的去除尤为重要。
    氨氮的去除有以下方法:
    1 折点加氯法
    废水中含有氨和各种有机氮化物,大多数污水处理厂排水中含有相当量的氮。如果在二级处理中完成了硝化阶段,则氮通常以氨或硝酸盐的形式存在。投氯后次氯酸极易与废水中的氨进行反应,在反应中依次形成三种氯胺:
    NH3 + HOCl → NH2Cl(一氯胺) + H2O
    NH2Cl + HOCl → NHCl2(二氯胺) + H2O
    NH2Cl + HOCl→ NCl3(三氯胺) + H2O
    上述反应与pH值、温度和接触时间有关,也与氨和氯的初始比值有关,大多数情况下,以一氯胺和二氯胺两种形式为主。其中的氯称为有效化合氯。
    在含氨水中投入氯的研究中发现,当投氯量达到氯与氨的摩尔比值1∶1时,化合余氯即增加,当摩尔比达到 1.5∶1时,(质量比7.6∶1),余氯下降到最低点,此即“折点”"。在折点处,基本上全部氧化性的氯都被还原,全部氨都被氧化,进一步加氯就都产生自由余氯。
    在废水处理中,达到折点所需氯总是超过质量比7.6∶1,当污水的预处理程度提高时,到达折点所需氯量就减少。三种处理出水加氯量见表1。
    表1 折点加氯需氯量[1] 废水处理程序 Cl2:NH3-N到达折点所需质量比
    经验值 建议设计值
    原水 10:1 13:1
    二级出水 9:1 12:1
    二级出水再石灰澄清过滤 8:1 10:1
    折点加氯产生酸,当氧化1 mg/L NH3-N时,需14.3 mg/L的碱度(以CaCO3计)来中和,实际上,由于氯的水解,真正需要的碱度为15 mg/L。大多数情况下,pH值将略有降低。
    为了达到折点反应所加入的氯剂,除形成次氯酸外,还增加废水中的总溶解固体含量。在废水复用情况下,溶解固体的含量可能成为影响回用的障碍。投加不同氯剂对总溶解固体的影响见表2。
    表2 折点加氯对TDS的影响 化学药剂的投加 总溶解固体的增加:消耗的NH3-N
    以氯气进行折点氯化 6.2:1
    以次氯酸钠进行折点氯化 7.1:1
    投氯气后,用石灰中和全部酸度 12.2:1
    投氯气后,用NaOH中和全部酸度 14.8:1
    折点加氯法因加氯量大,费用高,以及产酸增加总溶解固体等原因,目前尚未见以此为主要除氨方法的污水厂在运行。
    2 氨吹脱
    在废水中,铵离子和氨气相互转化:
    当pH为7时,只有铵离子存在,在pH为12时,只有氨气存在,在适当条件下溶解氨能从废水中释出。
    氨吹脱工艺是将水的pH值提到10.8~11.5的范围,在吹脱塔中反复形成水滴,通过塔内大量空气循环,气水接触,使氨气逸出。
    环境温度低于0℃时,氨吹脱塔实际上无法工作[2]。当水温降低时,水中氨的溶解度增加,氨的吹脱率降低。由于水中碳酸钙垢在吹脱塔的填料上沉积,可使塔板完全堵塞。另外,吹脱塔的投资很高。因此,国外原有的吹脱塔基本上都已停运。
    3 选择性离子交换法
    使用选择性离子交换剂--斜发沸石进行离子交换是近期开发的工艺[3],废水中的铵离子将斜发沸石中的钠或钙替代出来,失效的沸石使用再生液再生,再生液通过氨吹脱塔脱氨。斜发沸石是沸石中的一种,在美国西部有几处矿床自然存在。沸石的交换容量可由废水的离子浓度来估计,同时要进行半生产性试验,有的用4.8kg/m3。
    此法存在的问题是:再生液需要再次脱氨;在沸石交换床内,氨解吸塔及辅助配管内存在碳酸钙沉积;废水中有机物易造成沸石堵塞而影响交换容量,须用各种化学及物理复苏剂除去粘附在沸石上的有机物。目前这种方法应用也不多。
    4 生物法脱氨
    目前,生产中经常大量采用的方法是生物法脱氨[4]。污水处理到硝化阶段,生物反应在完成碳的氧化后再完成氮物质的氧化,使氨氮能氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。但这样需延长生物处理时间,并增加供氧量,这将使生物处理的基建投资和供氧动力增加,无疑会增加污水处理厂的负担,加大废水回用成本。
    5 循环水系统脱氨
    该法是我国“八五”科技攻关成果[5]。中国市政工程东北设计研究院课题组将再生水作工业冷却水回用的研究工作中,提出利用循环水系统,特别是冷却塔,进行脱氨。循环水系统只要运行得法,掌握一定条件,在发挥冷却作用的同时,可以作为脱氨兼用,既不需增加处理费用,又使水质达到回用要求,从而解决了氨氮指标影响回用的这一关键技术。
    5.1 循环水系统脱氨的效果
    循环水系统由冷却塔、循环泵和换热设备组成。在冷却塔内,水与空气接触,进行蒸发冷却,然后供换热设备循环使用。冷却塔由于蒸发、风吹、排污而需补充水,当将城市污水再生处理后作为补充水进入循环水系统中时,补充水中的氨氮在冷却塔内得以脱除。这一规律在试验和工业化实践中所证实。表3是某厂使用再生水的循环水系统水质分析的典型数据:
    表3 某厂使用再生水的循环水系统水质分析 项目 补充水(再生水) 循环水
    pH 7.0 7.9
    硬度/(mg·L-1) 150 330
    碱度/(mg·L-1) 95 150
    Cl-/(mg·L-1) 121 282
    NH3-N/(mg·L-1) 13 0.4
    CODCr/(mg·L-1) 21 30
    SS/(mg·L-1) 4.2 4.4
    注:硬度、碱度均以CaCO3计。    
    城市污水经二级和深度处理后,氨氮尚有10~30 mg/L左右,进入冷却系统后,在浓缩倍数2的情况下,氨氮达到0.4 mg/L的低值。且不随浓缩倍数增加和运行时间长短而积累。表3说明在工业用水实践中,循环水系统中氨氮可小于1.0 mg/L,满足包括电力工业在内的工业循环冷却水氨氮指标小于1 mg/L的要求。
    5.2 影响氨氮去除的因素
    氨氮的去除机理是由于循环水系统是一个特殊的生态环境,合适的水温,很长的停留时间,巨大的填料表面积,充足的空气等等优良条件促使氨氮转化。据测定,80%为硝化作用,10%为解吸作用,10%为微生物同化作用,三种作用综合,而以硝化为主。因此,下列因素对氨氮的去除有影响。
    5.2.1 冷却塔浓缩倍数,停留时间
    冷却塔的浓缩倍数与节水效果直接相关,浓缩倍数越高,补给水量越少,循环水在系统内的停留时间越长。
    循环水系统内的平均停留时间从公式(1)求得:
    T=V/(Qb+Qm)       (1)
    式中 T—水在系统内的停留时间,h;
    V—循环水系统容积,m3,一般为循环小时流量的1/3~1/5;
    Qb—排污和泄露损失水量,m3/h;
    Qm—风吹损失水量,m3/h。
    例如1×104 m3/h的循环水系统,当浓缩倍数为2时,循环水在系统内的停留时间为12.5 h;当浓缩倍数为5时,停留时间为50h。可见其停留时间很长[6]。
    当浓缩倍数2以上,城市污水中氨氮含量为20~50 mg/L时,循环水中氨氮浓度可小于1mg/L。我国大多数工业冷却系统,浓缩倍数在2左右,所以,大多数工厂的循环水冷却系统都具有很高的去除氨氮的能力,这一去除氨氮的创新技术,具有普遍推广价值。
    5.2.2 碱度和pH
    经计算,每氧化lgNH3-N要消耗碱度7.14g(以CaCO3计)。当碱度不足时,应当补加。
    循环水系统pH要保持在7.0~8.0,使循环水的pH值适宜硝化菌的活动。
    5.2.3 温度