文章来源：《工业水处理》2024年第9期
第一作者：黄声宇
通讯作者：赵全保
作者单位：中国科学院城市环境研究所
论文DOI：10.19965/j.cnki.iwt.2023-0896
论文引用：黄声宇，吴小琼，赵全保，等. 吹脱法处理高浓度氨氮废水研究进展[J].工业水处理，2024，44（9）：31-40.
高浓度氨氮废水排放量大、毒性强，对环境的污染问题突出。吹脱法具有氨氮去除效率高、操作简便、可实现氨氮资源化回收的优势，合理运用该工艺对处理高浓度氨氮废水具有重要意义。
在介绍氨吹脱原理的基础上分析了pH、温度、气液比3个关键因素对氨吹脱效率的影响规律；从提高氨氮去除效率及降低运行成本的角度回顾了近年来发展的新型氨吹脱工艺；重点分析了将氨吹脱与物理化学或生物处理联用的结合工艺，旨在去除氨氮的同时实现其余污染物的削减或工艺的强化。
最后针对氨吹脱研究目前存在的问题提出展望，认为该工艺未来应面向更加高效化、数字化、集成化及经济化的趋势发展，为今后开展相关研究及应用提供了思路。
高浓度氨氮废水主要来自于石油化工、有色金属化学冶金、化肥、味精、肉类加工和养殖等行业生产排放的废水以及垃圾渗滤液等，具有排放量大、毒性强、难以处理的问题。吹脱法作为物化法的一种，具有设备简单、易于操作、可回收废水中氨氮等特点，常被用来处理流量大、氨氮含量高及可生化性较差的废水。
（1）介绍了氨吹脱的基本原理及关键影响因素。氨吹脱法的基本依据为亨利定律，利用该定律，将气体通入高浓度氨氮废水中，由于气相中氨气分压始终低于此条件下溶液中游离氨浓度对应的气相平衡分压，利用废水中所含游离氨的实际浓度与平衡浓度之间的差异，溶解在废水中的游离氨可以不断越过气液界面进入气相，从而实现去除废水中氨氮的目的。在吹脱过程中，只有游离氨可以被吹脱气带出体系。因此，当吹脱条件有利于促进NH4+向NH3转化，并由吹脱气迅速带出时，氨氮去除效率高。
提高废水pH及吹脱温度可以促进NH4+向NH3转化，提高吹脱过程的传质推动力，进而提高氨氮去除率。提高气液比减小了气液传质边界层厚度，有利于克服游离氨的传质阻力。然而，过度提高这三者的水平会导致运行成本大幅增加，并对反应器平稳运行产生一定影响。因此在运行吹脱设备时应综合考虑氨氮去除率、运行成本及稳定性，合理设定操作参数。
（2）介绍了新型氨吹脱工艺。近年来，在传统吹脱工艺基础上，新型氨吹脱工艺不断被开发，在提高吹脱效率的同时降低了成本。不断有新型的反应器形式被设计并用于氨吹脱，如真空吹脱设备、旋转填料床及连续射流循环反应器，相比于传统吹脱反应器具有更好的气液混合特性及更高的热量和物质传递效率。此外，将太阳能加热引入吹脱设备中，可以显著降低加热废水导致的能耗。
对于部分碱度高的废水，含有较高浓度的碳酸盐-重碳酸盐缓冲体系，可通过从液相中吹脱出溶解性CO2提升废水pH。CO2在相同条件下的亨利系数远小于NH3，因而在吹脱过程中会被优先吹脱出溶液，并促进HCO3-和CO32-快速水解，进而提高溶液pH，有利于游离氨的形成。该步骤省去了投加药剂的步骤，减少了费用，同时也大幅降低甚至避免了碱剂投加的副作用。同时也可对吹脱气的选择及流动进行优化。沼气及烟道气本身含有一定热量，可直接用于氨吹脱，节省能源成本，采用气体循环的方式吹脱，可以避免部分氨气泄漏，同时维持气体工作温度，提高吹脱效率。
（3）介绍了氨吹脱与物理化学工艺的联用，主要包括化学沉淀工艺、Fenton工艺、超声工艺及电化学工艺。其中，化学沉淀工艺和Fenton工艺与氨吹脱联用可以实现氨氮和其余污染物的同步去除，如磷及COD等，并可提高废水的可生化性。采用超声法与氨吹脱工艺联用的可以产生微小气泡，增加气液接触面积，强化游离氨传质。电辅助-氨吹脱工艺联用可以利用电解水原位制造碱性环境，促进游离氨的形成，并通过一系列电场作用强化氨传质。
（4）介绍了氨吹脱与生物工艺的联用，主要探讨其与厌氧生物处理工艺的联用。首先总结了高浓度氨氮对微生物的抑制阈值及抑制机理。抑制机理主要包括化学抑制及生物抑制。其次分析了氨吹脱对微生物生态结构的影响。部分文献指出，在吹脱条件下，总的微生物群落构成未受到较大影响，厚壁菌门、拟杆菌门等细菌数量增加，成为主要细菌，同时乙酸发酵型产甲烷菌因氨氮浓度降低而占据主导地位。
厌氧生物处理在蛋白质类有机物水解过程中会产生高浓度氨氮，与氨吹脱相结合具有一定可行性，二者的有效结合可以减轻高浓度氨氮对微生物的抑制，进而提高厌氧系统的甲烷产量。氨吹脱与厌氧处理结合的方式主要有4种，即将氨吹脱分别用于厌氧处理的前处理、侧流吹脱、原位吹脱及后处理。氨吹脱的引入显著降低了厌氧消化器中的氨浓度，减轻了氨抑制，但不同结合方式处理条件也不同。侧流吹脱及原位氨吹脱中控制吹脱条件尤为重要，直接影响厌氧微生物的生长状况，因此一般采用较低的气体流速且不进行pH调节及加热，并选择沼气作为吹脱气。
利用吹脱法从高浓度氨氮废水中回收氨氮，不仅可以消除其对水体、大气的污染，还可减轻后续工艺负荷。由于氨吹脱过程中碱剂的添加及加热、曝气往往会带来较高成本，近些年关于新型氨吹脱工艺的研究越来越多，并朝着提高效率、节省成本的方向发展。
将氨吹脱工艺与其他工艺结合，可以同步高效去除多种污染物（如氮、磷、有机物等），与生物处理工艺的结合还可减轻高氨氮对微生物新陈代谢的抑制作用，提高生物处理的效率。但目前还有许多问题亟需解决，未来可从以下三方面进行深入研究：
1）氨吹脱对COD的同步去除。在氨吹脱过程中，通入大量气体能为嗜碱湿热好氧微生物的增殖创造条件，也可能影响COD去除。可否投加可生存并发挥降解作用的微生物菌种，以实现氨氮和COD的共同脱除？
2）氨吹脱数学模型的完善. 对氨吹脱过程的数学建模主要从3方面入手，一是液相中氨氮存在形态的数学模型，二是对游离氨在气液两相传质的机理模型，三是通过待处理废水的水质参数预测吹脱效率的数学模型。通过废水水质预测氨吹脱效率预测，优化实际吹脱的运行参数极具工程意义，但由于涉及的参数较多，不同参数对氨吹脱效率的影响有明显差别，因而对其进行建模较为困难。
3）新型氨吹脱反应器的开发. 目前应用于氨吹脱的主要反应器形式都存在能耗较大、传质效率不高的问题，若能在反应器构型上做出改进，如具备更好的保温、换热效果，通过优化曝气方式以更低能耗提供更微小的气泡来创造更大的气液接触面积以加强传质，或开发具有更高比表面积的填料，都将进一步提高氨去除效率并节省成本。
总而言之，未来的氨吹脱研究将向着更加高效化、数字化、集成化及经济化的方向发展。
第一作者：黄声宇，中国科学院城市环境研究所博士研究生，主要从事厌氧消化产物的资源化技术研究。E-mail：syhuang@iue.ac.cn。
通讯作者：赵全保，中国科学院城市环境研究所副研究员，研究领域包括：高浓度有机废水的能源化与资源化技术，厌氧反应器的智能预警与控制系统，水环境污染物的分析测试方法与技术。E-mail：qbzhao@iue.ac.cn。
（来源：《工业水处理》2024年第9期）
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