電鍍廢水中高濃度氨氮深度處理方法研究
【天津純水設備http://www.jxnancy.cn】采用物理和化學方法對電鍍廢水中高濃度氨氮進行處理。 應用響應面法對氨氮吹脫工藝進行優化，在最佳工藝條件下（pH=11、流量 2 L/min、時間 60 min），氨氮去除率為 98%。 吹脫后的廢水經次氯酸鈉深度氧化，結果顯示，次氯酸鈉投加量為 30 mL/L，反應時間為 10 min 時，氨氮去除率達 95.43%。 同時研究了超聲、紫外照射對次氯酸鈉氧化效率的強化效果。 經吹脫和次氯酸鈉處理后的廢水符合《電鍍污染物排放標準》表 3 氨氮排放限值要求。
電鍍行業是國民生產中必不可少的一部分，在電鍍工藝中， 通常需要加大量氨水與銅離子等金屬離子絡合以增強離子的穩定性。大量氨水的使用天津純水設備，造成廢水中氨氮含量嚴重超標，尤其是電鍍槽廢液，氨氮濃度更高，需要采用多種方法組合進行處理，才能使廢液中的氨氮達到廢水的排放要求。 吹脫法是一種常用的脫除高濃度氨氮的有效方法， 該方法不需要添加特殊的藥劑，除氨效果穩定，操作簡單易控制，且吹脫率可達 90%以上，是一種有效的高濃度氨氮廢水的預處理方法。 采用吹脫法脫除高濃度氨氮廢水的研究，主要集中在單因素的研究方面，由于影響吹脫效果的因素比較多，利用響應曲面分析法研究對高濃度氨氮廢液的處理，能夠更加直觀、快速地確定最優吹脫條件，減少工作量，提高實驗效率， 對吹脫后的廢水繼續進行次氯酸鈉氧化法處理后天津水處理設備，可使出水達到電鍍廢水排放要求。同時為解決現有工藝單獨使用次氯酸鈉除氨氮時次氯酸鈉消耗量比較高的問題， 筆者研究了超聲和紫外照射對次氯酸鈉氧化的強化促進作用， 以減少次氯酸鈉的用量。
1 材料與方法
1.1 實驗材料
實驗廢水來自某電鍍園區電鍍槽廢液，pH=1，氨氮為 8 615 mg/L，COD 160 000 mg/L。
實驗所用試劑包括：酒石酸鉀鈉，分析純天津純水設備，永華化學科技江蘇有限公司；碘化汞，分析純，永華化學科技江蘇有限公司；碘化鉀，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；氫氧化鈉，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；濃硫酸，質量分數 98%，國藥集團化學試劑有限公司；次氯酸鈉，分析純，6%~14%活性氯，阿拉丁試劑上海有限公司。
實驗所用設備：ACO-003 電磁式空氣泵，紹興市銀森機電有限公司；LZB-4WB 轉子流量計， 常州斯爾特機電設備有限公司；OHAUS STARTER2100pH 計， 奧豪斯國際貿易上海有限公司；UV-2012PCS 型紫外可見分光光度計，尤尼柯上海儀器有限公司；DANGEP 型紫外燈，波長 253 nm，飛利浦特殊光源上海總經銷；KQ-250B 型超聲波清洗器， 昆山市超聲儀器有限公司。高濃度氨氮廢水處理裝置與流程如圖 1 所示，對氨氮的分析采用納氏試劑分光光度法。
1.2 實驗方法
1.2.1 高濃度氨氮廢水吹脫工藝的確定
根據 Design Expert 8.0.6 中 的 Box-Behnken 模型中心組合實驗設計原理，選取 pH、空氣流量、反應時間為自變量，分別以 A、B、C 表示，以-1、0、+1 分別代表自變量的低、中、高水平，以氨氮去除率為響應值設計實驗，共 17 個實驗點的三因素三水平的響應面分析。 實驗方案中的因素和水平見表 1。
1.2.2 低濃度氨氮廢水次氯酸鈉氧化工藝的確定
在最佳吹脫條件下， 吹脫后氨氮質量濃度仍在180 mg/L 左右，達不到《電鍍污染物排放標準》（GB21900—2008）表 3（8 mg/L）的排放限值要求，需要對吹脫后的廢水繼續采用次氯酸鈉氧化法處理， 考察NaClO 溶液投加量、廢水 pH、超聲與紫外燈照射對氨氮去除率的影響。
2 結果與分析
2.1 吹脫法
2.1.1 回歸模型的建立及分析
Box-Behnken8.0.6統計軟件通過表 2 得到高濃度氨氮去除率對編碼自變量 A、B、C 二次多項回歸方程：氨氮去除率（%）=98.87-0.28A+0.57B-0.41C-0.083AB-0.073AC+0.18BC-2.69A2-0.39B2-0.9C2。
對該模型進行方差分析及顯著性檢驗， 結果見表 3。
回歸方程的自變量系數不全為零天津純水設備， 且 P<0.05，可認為該模型有意義；P<0.05， 交互影響中 AB、BC顯著。 相關系數 R2Adj 為 0.981 8，說明實驗誤差較小，響應值的變化有 98.18%來自所選變量。 P 越小，說明此項對實驗結果產生的影響意義重大，此實驗中，影響因素大小排序為空氣流速>反應時間>pH。
2.1.2 響應曲面分析與優化
回歸模型的方差分析顯示，AB、BC 的交互作用顯著， 其響應面曲線可以很好地解釋因素的交互作用對氨氮吹脫率的影響。 根據回歸方程做出的 AB、BC 響應面 3D 曲線及等高線如圖 2、圖 3 所示。
由圖 2（a）可以看出，在流量一定時，隨著 pH 的增加，氨氮去除率呈先上升后下降的趨勢。 10<pH<11 時，吹脫率隨著 pH 增加而增加，這是因為在反應NH4++OH- →NH3+H2O 中，隨著 pH 的增加，平衡右移，生成的 NH3 在曝氣攪動下從水中脫除；當 pH>11 時，吹脫率反而降低，這可能是因為釋放的分子態氨已達到最大值天津水處理設備，pH 繼續提高已對分子態氨的釋放沒有多大促進作用，隨著氨氮的脫除，廢水的 pH降低，吹脫率即隨之下降。 圖 2（b）的等高線能夠很明確地看出上述得到的結論。
由圖 3（a）可以看出，時間一定時，隨著流量的增加，氨氮去除率呈明顯上升趨勢。 空氣流量增加，增加了氣液的接觸面積， 有利于游離氨從液相向氣相的傳質，吹脫率提高。 流量一定時，隨著吹脫時間的增加，吹脫率呈先升高后降低的趨勢。 這可能是因為隨著時間的增加，生成的游離氨已經不多，故吹脫率下降。 圖 3（b）是圖 3（a）的響應曲面在底面的投影。
2.1.3 最佳吹脫工藝確定及驗證實驗
利用 Design Expert 8.0.6 軟件對實驗條件進行優化，得到在最優條件 pH=11，流量=2 L/min，時間60 min 下，氨氮吹脫率的預測值為 98.976 2%。 根據最佳的反應條件進行驗證，得到氨氮平均吹脫率為98.990 1%，與預測值相近，因此此工藝條件有實用價值。
2.2 次氯酸鈉氧化法
2.2.1 NaClO 溶液投加量對氨氮去除率的影響
調節吹脫后的廢水 pH=9， 反應時間 10 min，考 察 NaClO 溶液（有效氯質量分數為 10%）投加量對氨氮去除率的影響，結果表明，氨氮去除率隨次氯酸鈉溶液的投加量增加而增大，超過 30 mL/L 時，去除率增加不明顯，此時去除率為 95.43%，出水氨氮小于 8 mg/L。
2.2.2 廢水 pH 對次氯酸鈉氧化效率的影響
當次氯酸鈉投加量為 30 mL/L，反應時間 10 min條件下，調節 pH，考察 pH 對次氯酸鈉氧化氨氮效率的影響。 結果表明 pH<4 時，氨氮去除率隨 pH 的增大而提高；pH>4 時，氨氮去除率變化不大，去除率均在 95%以上。
2.2.3 超聲與紫外燈照射對次氯酸鈉氧化氨氮效率的影響
要將本實驗中氨氮質量濃度為 180 mg/L 的廢水降至 8 mg/L 以下， 至少要消耗 10%的次氯酸鈉溶液30 mL/L，為減少次氯酸鈉投加量天津純水設備，取次氯酸鈉投加量為 20 mL/L，分別采用超聲和紫外照射處理廢水，研究二者對次氯酸鈉氧化氨氮效率的影響，結果見圖 4。
由圖 4 可知， 次氯酸鈉氧化氨氮的同時對廢水進行超聲處理，氨氮去除率在 94%以上，其中反應時間在 35 min 效果最好， 氨氮去除率可達 98%；主要原因是超聲對于次氯酸鈉釋放有效氯具有促進作用， 加快了化學反應速率。 35 min 后去除率略有下降，但均維持在 94%以上。
次氯酸鈉氧化氨氮的同時對廢水進行紫外照射， 反應時間在 35 min 時和 110 min 時去除率達到最大，分別為 84%與 86%，但因二者效率相差不大，綜合考慮成本等因素，選取 35 min 作為最佳反應條件天津水處理設備。 去除率整體呈現先升高再降低再升高的趨勢。
紫外照射對次氯酸鈉氧化氨氮也具有一定的促進作用，但不如超聲對次氯酸鈉除氯的強化效果好，兩種強化方法對氨氮的去除率均明顯高于單獨使用次氯酸鈉處理廢水時的去除率； 紫外照射的廢水與單獨使用次氯酸鈉處理的廢水氨氮的去除率變化趨勢是一致的。 說明紫外對次氯酸鈉氧化氨氮具有促進作用；三種處理方式都在 35 min 時去除率達到最高，因此采用氧化時間 35 min 作為次氯酸鈉氧化工藝的最佳反應時間。
（1）在pH=11，空氣流量 2 L/min，吹脫時間60 min的工藝條件下，吹脫率在 98%以上，可使原水氨氮質量濃度從 8 615 mg/L 降到 180 mg/L 以下。 （2）吹脫后的廢水投加有效氯質量分數為 10%的次氯酸鈉溶液 30 mL/L，氨氮去除率在 95%以上，可使出水氨氮質量濃度低于 8 mg/L。 （3）超聲和紫外照射分別強化次氯酸鈉與單純使用次氯酸鈉脫除氨氮進行比較， 氨氮去除率分別提高 46.11%、9.43%。天津純水設備，天津水處理設備，天津去離子水設備。
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