循环水脱除氨氮零排放的妙招

翟智高 原创 | 2019-12-21 17:11 | 收藏 | 投票

 

循环水脱除氨氮零排放的妙招

全国尿素厂年会论文 


标签: 循环水厌氧氨氧化脱除氨氮  

               作者:翟智高 

  摘要:将循环水处理与治理氨氮污染相结合,用含氨废水作补充水,发挥LHE聚合物络合絮状物不易结垢、流动性好、功能多样、不用杀菌等特性,利用冷却塔附着微生物细菌形成亚硝化泥垢,培育出厌氧氨氧化所需要的亚硝化絮状物载体。在相对密闭的循环水积水沉淀池和各种管道中,补充含氨废水中的氨与亚硝化絮状物载体实现厌氧氨氧化反应,达到反复循环脱除氨氮而不须排放含氨废水并使之资源化的目的。是治理氨氮污染和循环经济的创新技术。LHE聚合物处理循环水,载入《德温特世界专利》,被世界经济评价中心评定为“世界华人重大科技成果”,获得联合国技术信息促进系统颁发《发明创新奖》 

  随着工业的快速发展,各类排放废水所含氨氮等有害物,使地表水体富营养化的加重,对氨氮的处理成了亟待解决的问题。虽然处理废氨水已有高效的蒸汽水解装置,但设备造价高,一台氨水解装置价值高达数百万元,水解处理废氨水耗电耗蒸汽多,处理一吨废氨水综合费用在5元以上,尤其是对那些低浓度含氨废水处理来说就很不经济。

  在水资源短缺,水价日益上涨,环境保护越来越严格的情况下,各类含氨氮废水和生活污水净化水,已被视为重要的水资源。含氨氮废水虽然应是重要的水资源,但做为循环水的补充水存在很严重的问题。 传统的化肥含氨氮污水脱氮技术,主要为生物硝化-反硝化工艺,根据传统生物脱氮机理,微生物必须处于好氧和缺氧的交替环境中进行硝化和反硝化反应,才能顺利完成脱氮的过程。由于要消耗大量的溶解氧和有机碳源,导致该工艺的设备投资和运行费用均较高,而要实现“达标排放”很不容易。

  首先,目前循环水的主要处理方法是磷系配方技术,不能使用高碱度高pH值的化肥含氨污水,一旦有含氨的水进入,有机磷药剂就失去作用,循环水系统将会快速结垢。用有机磷系药剂处理水,有氨漏入尚会加速结垢,更不要说用含氨废水做为循环水的补充水了。

  再者,氨与磷都是营养物质,有机磷处理的循环水再补入含氨污水,会使微生物粘泥繁殖加剧,杀菌剂用量增加,置换水频率加大,不利于节水和环保,运行成本增高。

  循环水系统使用我国独创的水处理新产品天然龙牌LHE聚合物,利用含氨废水作补充水,实现水闭路循环运行;无废水污染物排放,有效防止了对环境的污染,社会效益和经济效益显著。该新技术为氨氮废水资源化开辟了新途径。

  LHE聚合物与氨和钙镁离子螯合净化水质的的特点是:循环水不用磷系配方技术,改用LHE聚合物多功能节水型水质稳定剂,利用低浓度含氨废水和尿素解析废液作补充水。LHE聚合物药剂与Ca2+、Mg2+和NH4+相互作用,形成聚合钙镁铵络合絮状物,在相对密闭的积水沉淀池,络合絮状物转化成泥垢静置沉淀,循环水在运行中始终保持自身净化的稳定状态;LHE聚合物解决了冷却水结垢、腐蚀、含氨废水污染环境和抑制菌藻滋生等问题。

  LHE聚合物净化水的功能是由于聚合物与钙、镁反应生成的螯合物可以与水中的氨、碳酸钙镁盐等形成螯合交联产物,以LHE聚合物与氨和水中的钙镁离子螯合为例,反应示意如下:

 

循环水脱除氨氮零排放的妙招循环水脱除氨氮零排放的妙招



 

 

 

  这种聚合钙镁铵交联螯合产物使一部分氨成为不易挥发的含氮污泥,对水体中多种复杂有害物具有吸附、净化、交换、转化功能。硫化物与聚合物功能团结合成为巯基化合物,促进了对氰化物的无毒化降解转化,最终转化为硫酸盐、碳酸盐和含杂环氮的活性污泥,用于农田具有使板结土壤疏松透气、促进植物根系生长的作用,进入环境水域还具有净化重金属离子和有害杂质的作用。

       循环水中大量LHE聚合物与钙镁铵络合形成的絮状物,不断反复循环流动,冷却塔密集的填料空间是好氧曝气氧化的良好环境条件。尿素解析废液补充用于循环水,与回用含氨废水效果一样。因为尿素进入循环水后,在LHE聚合物的催化作用下,尿素很快分解成氨基甲酸铵,再进一步分解成氨,氨作为电子供体,循环水中的亚硝物质(NO2-)为电子受体,具有氧化功能,把氨氧化成氮气(N2↑)。

   游离的氨被LHE聚合物钙镁铵络合絮状物吸附。冷却塔下有较大的积水池和澄清沉淀池,水相对静置具有厌氧环境,有益于水中的氨与亚硝化络合絮状物厌氧氨氧化反应。虽然厌氧氨氧化的反应速度比较慢,但一般积水池和澄清沉淀池容积都很大,循环水又是不断的反复循环流动,有利于硝化和反硝化过程,能实现游离氨氮得到高效脱除。

 


氨的亚硝化与厌氧氨氧化反应机理:

 

   过去,反硝化被认为是只有厌氧条件下才能完成,难以确认使用硝酸盐和亚硝酸盐作为最终电子受体,不过这种限制只是对专性厌氧反硝化菌起作用。随着生物脱氮生物学方面的研究和发展,没有严格厌氧的活性污泥仍然能有良好的脱氮现象,特别是循环水补充含氨废水,氨被好氧反硝化菌分解,在循环水运行中直接转化成氮气产物:

 

   8NH4++6O2-→4N2+12H2O+8H+

 

  好氧条件下,氧化氮和氧化亚氮产生速率,依赖于亚硝酸盐浓度,反硝化的初始基质可能是亚硝酸盐或硝酸盐。氨氧化为亚硝酸盐产生2个电子,亚硝酸盐氧化为硝酸盐也产生2个电子,完全的亚硝酸盐还原需要3个电子,而完全的硝酸盐还原需要5个电子。所以亚硝酸盐为反硝化的初始基质。好氧反硝化是与硝化相伴发生的。氨氧化菌完成氧化还原反应为:
    NH3++O2→NO2↑+3H++2e-

   含氨废水作补充水,氨作为电子供体,循环水中的氨被分解产生的亚硝酸盐是电子受体, LHE聚合物为络合催化媒介,促进脱氮过程,反应产物是氮气:厌氧氨氧化是在密闭的循环水管道与沉淀池缺氧环境条件下,补充的废氨直接作为电子供体,以亚硝物质(NO2-为电子受体,直接把氨氧化成氮气(N2↑);

   NH4++NO2-→N2↑+2H2O

   LHE聚合物絮状物具有很强的吸附氨氮的能力,实际成为厌氧氨氧化脱氮的微细胶体活性物,在循环水流动中不易沉淀,作为吸附催化媒介体,促使循环水中厌氧氨氧化生物反应是可行的,能够增加离子交换、电子交换速度,提高氨氮去除率。

   亚硝化过程,是由冷却塔填料上和LHE聚合物与钙镁铵络合形成的絮状物上附着的好氧微生物完成的,微生物很快将氨氮转化为亚硝酸盐。这一脱氨氮过程,是在相对密闭的循环水积水沉淀池和各种管道中进行,由于具有厌氧氨氧化良好的反应环境,池内和管道内LHE聚合聚合物与Ca2+、Mg2+相互作用形成聚合羟基羧酸钙镁铵络合物,促进氨氮加快分解。



 
好氧条件也能把氨氮转化为硝酸盐:

 

  NH4++2O2-→NO3-+H2O+2H+

   

  氨氮脱除过程也会发生在硝化阶段,硝酸盐转化成氮气:

 
    3NO3-+5NH4+→4N2↑+9H2O+2H+ 

 

  经过在化肥行业长达二十多年的实践运行结果表明,由于LHE聚合物的多功能特性,又不用任何杀菌剂,充分发挥现有循环水系统自身的作用。这种将循环水处理与治理氨氮污染相结合,用含氨废水作补充水,发挥LHE聚合物络合絮状物不易结垢、流动性好、功能多样、不用杀菌等特性,达到反复循环脱除氨氮而不须排放含氨废水并使之资源化的目的,是治理化肥氨氮污染和循环经济的创新技术。

   综合考虑现行循环水系统的条件,循环水流速应提高到不小于0.9M/S,有利于高浓度悬浮絮状物的流动,也不易在换热管内沉积。还需要加高密闭的循环水积水沉淀池、旁流滤池、斜管沉淀池等出水口的高度,使静置水容量尽量增多,提高厌氧氨氧化反应的去除效率,以有效保证闭路运行时产生泥垢的及时沉淀分离出去。

   厌氧氨氧化生物反应,还应注意冷却塔填料上生物膜的培育,不能使用任何种类的杀菌剂。初始阶段,水中的氨氮浓度要由低到高逐步添加,随着反应的逐渐进行,水中的氨氮浓度消除率逐渐稳定平衡,亚硝态氮浓度逐渐稳定,这有利于硝态氮的反硝化作用和厌氧氨氧化生物反应的进行,也有益于厌氧氨氧化微生物生物膜成熟的发育。LHE聚合物有抑制微生物过量繁殖的作用,不需要使用任何杀菌灭藻剂,不会有大量微生物粘泥产生。

   只补充损失的水,高倍浓缩下去,会使循环水中可溶性盐积累。可溶性盐类过高会抑制厌氧氨氧化微生物的活性,使同步硝化反硝化效率降低。应定期抽取可溶性盐过高的循环水,经净化、脱盐处理,再重新回用,实现循环利用水资源,不向环境排污的“零排放”。

   循环水保持有恒定的水温和流速,无须特别的操作控制,就具有有效的净化氨氮的能力。冷却塔完全满足了氨氮氧化过程中需要大量的氧气,节省了曝气费用开支。更大的优点是既节省了传统生物反硝化的复杂设施。

   我国已有很多企业采用了这种LHE聚合物技术,利用LHE聚合物使废氨水回用作循环水的补充水,解决了传统生物脱氮技术处理化肥氨氮废水投资大、成本高的难题,在达到循环水正常防止结垢和腐蚀运行中,又实现真正意义上的同步去除氨氮,有效地解决了含氨氮废水污染问题。达到了低能耗、低成本、污水资源化、节约用水,保护环境、循环利用等综合效果。

 

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个人简介
北京大学政府管理与产业发展研究院研究员,曾长期在科研部门工作,承担过国家自然科学和社会科学攻关研究项目,成果记在史册里。哲人有训:“居庙堂之高则忧其民,处江湖之远则忧其君”。爱好自然科学与社会科学领域多学科交叉…
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