高濃度氨氮廢水處理技術(shù)

　　了解超聲吹脫原理后，發(fā)現(xiàn)其突破點是需要強(qiáng)化它的作用功能，若是想要強(qiáng)化超聲吹脫法的氣液兩相傳質(zhì)，主要有兩個途徑：一是通過改良處理設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)，以改善氣液的兩相流動和接觸面積;二是通過再次增加不同頻率的外場能量與加強(qiáng)與體系內(nèi)各污染物的相互作用，將污染物的揮發(fā)度提高。新思路是向反應(yīng)溶液中加入藥劑，促進(jìn)超聲吹脫解析反應(yīng)的某個去除環(huán)節(jié)。雷春生等自制了復(fù)合脫氮劑，并申請了相關(guān)專利，其處理效果表明，在添加發(fā)明藥劑的條件下利用相關(guān)工藝處理可使廢水中的氨氮降至0.2mg/L。通過這一思路可自主配制藥劑，節(jié)約成本，強(qiáng)化處理效果。

　　本實驗的主要內(nèi)容是模擬氨氮廢水，通過復(fù)配實驗獲得一系列具有協(xié)同增效作用的表面活性劑復(fù)配物，篩選出具有較好增效作用的復(fù)配物以及最優(yōu)的復(fù)配比，獲得不同情況下表面活性劑復(fù)配物的最優(yōu)組合，然后改變氨氮廢水濃度，以最優(yōu)組合所得復(fù)配物為促脫劑，對比氨氮吹脫處理效果。

　　一、實驗方案

　　實驗主要設(shè)計三因素三水平的正交實驗計劃對策，擬選取的三個因素分別為表面活性劑種類、酯的種類、生成合適促脫劑的復(fù)配比。根據(jù)正交實驗結(jié)果分析數(shù)據(jù)，對各重要因素進(jìn)行方差和極差分析，得出影響促脫劑作用效能的各重要因素的主次順序和合適的組合，并對其成因進(jìn)行簡單的分析推測。

　　實驗I：三種陽離子表面活性劑與三種酯類物質(zhì)的復(fù)配

　　查閱資料發(fā)現(xiàn)，單因素實驗得到的氨氮去除的最適條件為最佳pH為12.0和最佳溫度為50℃，在此條件下，分別取三種增效作用較好的陽離子表面活性劑(TTAB、CTAB、STAB))在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下復(fù)配三種酯類(乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯)，作為脫氮劑超聲處理，處理濃度約為1000mg/L的高濃度模擬氨氮廢水，采用三因素三水平正交實驗。

　　實驗II：三種陰離子表面活性劑三種酯類物質(zhì)的復(fù)配

　　在pH為12.0和溫度為50℃的條件下，分別取三種增效作用較好的陰離子表面活性劑(STBS、SHBS、AOS)在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下復(fù)配三種酯(乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯)，作為脫氮劑超聲處理濃度約為1000mg/L的高濃度模擬氨氮廢水，使用三因素三水平正交實驗方案。

　　實驗III：陰陽離子表面活性劑之間的復(fù)配搭配

　　在pH為12.0和溫度為50℃的條件下，分別取三種增效作用較好的陽離子表面活性劑(TTAB、CTAB、STAB)在不同比例(1∶1，3∶2，3∶4)下與三種陰離子表面活性劑(STBS、SHBS、AOS)復(fù)配，作為脫氮劑超聲處理濃度約為1000mg/L的高濃度模擬氨氮廢水，采用三因素三水平正交實驗。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1陽離子表面活性劑的復(fù)配實驗結(jié)果分析

　　因單純篩選需要放大其功能效果，表面活性劑用量較大，在復(fù)配實驗中則是利用主材料為低濃度的表面活性劑為主，再以實驗設(shè)計的復(fù)配比復(fù)配一定體積的酯類，將模擬氨氮廢水與復(fù)配好的促脫劑放置反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，記錄吸光度后計算出的剩余氨氮濃度和氨氮去除率。

　　(1)陽離子表面活性劑與不同復(fù)配物復(fù)配超聲吹脫去除氨氮的分析，如表1。

　　正交實驗，通過復(fù)配陰離子表面活性劑與酯類，進(jìn)一步提高超聲吹脫的性能。由表1可知，與陰離子表面活性劑和酯類的效果有所差別，陽離子復(fù)配陰離子表面活性劑氨氮的去除效率最低為45.78%，陽離子表面活性劑復(fù)配酯類氨氮的去除效率最小值為51.53%，說明復(fù)配酯類氨氮的去除效率的最小值更高。陽離子復(fù)配陰離子表面活性劑氨氮的最高去除率為60.07%，陽離子表面活性劑復(fù)配酯類氨氮的最高去除率為74.48%，也是與酯類復(fù)配的去除率更高。通過將兩種復(fù)配組合對氨氮的去除效率進(jìn)行方差分析，由F>F臨界(0.01)知，兩組數(shù)據(jù)存在顯著性差異，從而更加說明了陽離子表面活性劑與酯類搭配對比陰離子表面活性劑搭配作為促脫劑對去除廢水中氨氮的增能、增效作用更凸顯。

　　(2)陽離子表面活性劑與酯類復(fù)配分析，如表2。

　　從表2中的數(shù)據(jù)可比較出，陽離子表面活性劑與酯類復(fù)配后強(qiáng)化了超聲吹脫的作用性能，廢水中氨氮的去除效率均在50%以上，最低的去除率為51.53%，最大去除率為74.48%，其平均對于氨氮的去除率可達(dá)到62.32%，而復(fù)配前氨氮去除率一般都在60%以下，只有AOS與STAB處理可達(dá)到60%的去除效率。可見酯類的添加活化了表面活性劑的性能，提高了表面活性劑的功能性，讓超聲吹脫的增能增效作用更加明顯，與相關(guān)的理論相符，即復(fù)配物的一些性能比其本身更為優(yōu)越，如酯類可活化表面活性劑，促使表面活性劑具有更容易降低廢水表面張力的能力。

　　(3)各因素對促脫劑影響的主次順序分析，如表3。

　　根據(jù)正交實驗所得數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析表3，影響促脫劑活性的三個主要因素為：表面活性劑種類、酯類和復(fù)配比。分析數(shù)據(jù)并對比發(fā)現(xiàn)，對氨氮去除率影響的主次順序為：表面活性劑的種類>復(fù)配比>復(fù)配物酯類。其中表面活性劑的三個水平(TTAB/CTAB/STAB)中的優(yōu)水平為A3，即STAB。由此看出，實驗所選三種表面活性劑中STAB對超聲吹脫去除氨氮加強(qiáng)能力的拔高。

　　復(fù)配物酯類的三個水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中的優(yōu)水平為B2，即乙酸丁酯;復(fù)配比的三個水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為C3，即3∶2，從而可得最優(yōu)組合為A3B2C3，即乙酸丁酯與STAB的質(zhì)量比為3∶2的時候搭配混合作為脫氮劑為本正交實驗中最優(yōu)良的促脫劑。

　　以實驗規(guī)劃的三因素水平為橫坐標(biāo)，實驗指標(biāo)-氨氮去除率的平均值為縱坐標(biāo)繪制圖1，由圖1可看出，對于欲合成的促脫劑的三個水平而言，氨氮的去除率隨著碳數(shù)的增多而逐漸提高。

　　復(fù)配物酯類的三個水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中乙酸丁酯對表面活性劑超聲吹脫去除氨氮的增效增能作用最為顯著，其次是乙酸乙酯和甲酸乙酯;復(fù)配比的三個水平分別是1∶1，3∶4，3∶2，其中好的作用效果水平是為3∶2，其次是3∶4，最后則是1∶1，可得出復(fù)配物與表面活性劑的比例大于1搭配關(guān)系作為促脫劑處理氨氮的增效作用更為明顯。

　　2.2陰離子表面活性劑復(fù)配實驗結(jié)果分析

　　向反應(yīng)器中按照25mg/L的濃度分別投加三種資料中在單因素實驗中增效作用較好的陰離子表面活性劑和陽離子表面活性劑，再以實驗設(shè)計的復(fù)配比復(fù)配一定體積的酯類，將模擬氨氮廢水與復(fù)配好的促脫劑放置反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，測得吸光度后，計算出剩余氨氮濃度和氨氮去除率并記錄。

　　(1)陰離子表面活性劑與不同復(fù)配物復(fù)配超聲吹脫去除氨氮的分析，如表4。

　　陰離子表面活性劑分別與酯類復(fù)配作為促脫劑對氨氮進(jìn)行處理，與陽離子表面活性劑超聲吹脫的去除效率的最小值為45.78%;與酯類搭配處理的去除效率最小值為55.03%，對比數(shù)據(jù)明顯看出，后者的效果更優(yōu)良，且平均去除率達(dá)65.18%。陰離子表面活性劑與陽離子表面活性劑搭配，最高去除率為67.03%，復(fù)配酯類的最高去除率可到達(dá)為77.17%，對比明顯與酯類搭配效果更優(yōu)。同時通過將兩種復(fù)配組合對氨氮的去除率進(jìn)行方差分析。由F>F臨界(0.01)知，兩組數(shù)據(jù)存在顯著性差異，說明陰離子表面活性劑與酯類復(fù)配優(yōu)于陰、陽離子表面活性劑復(fù)配作為促脫劑對超聲吹脫去除氨氮增效增能的作用更明顯且更穩(wěn)定。

　　(2)陰離子表面活性劑與酯類復(fù)配分析，如表5。

　　由表5可知，在復(fù)配了有機(jī)物酯類之后，氨氮吹脫去除效率基本都在65%以上，其中最高去除率為77.17%，最低為55.03%，平均值為65.18%。同陽離子表面活性劑與酯類復(fù)配的數(shù)據(jù)相比較，陰離子表面活性劑與酯類搭配更加穩(wěn)定，其氨氮的去除率偏差不大，即使它們的復(fù)配比不同，但都具有很好的協(xié)同超聲吹脫作用。

　　(3)各因素對促脫劑影響的主次順序分析，如表6。

　　由表6可知，三個因素中對氨氮去除率影響的主次順序為：表面活性劑>復(fù)配比>酯類。其中表面活性劑的三個水平對氨氮去除率影響的主次順序為：AOS>SH?BS>STBS，其中的優(yōu)水平為A2，即AOS，對吹脫去除氨氮增效是所選陰離子表面活性劑中最好的，說明酯類對表面活性劑的性能有很好的活化功能。

　　復(fù)配物酯類的三個水平(乙酸乙酯/乙酸丁酯/甲酸乙酯)中的優(yōu)水平為B1，即乙酸乙酯，與陽離子表面活性劑復(fù)配實驗所得結(jié)論不同，可因數(shù)據(jù)對比推斷在所選三種酯類中乙酸丁酯對表面活性劑吹脫去除氨氮的增效增能的作用最好，極有可能因為陰陽離子表面活性劑性質(zhì)上的差異導(dǎo)致與不同的復(fù)配物產(chǎn)生了不同的效果。復(fù)配比的三個水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為C2，即3∶4，可初步推斷酯類與陰離子表面活性劑以小于1的比例復(fù)配作為脫氮劑，對氨氮的脫除效果更為顯著，由此可得最優(yōu)組合為A2B1C2，從而根據(jù)正交實驗具有代表性和綜合可比性的特征，可初步推斷乙酸乙酯與AOS的質(zhì)量比為3∶4時搭配作為促脫劑，是本研究所需要的最恰當(dāng)、高效的促脫劑。

　　設(shè)計的因素水平為橫坐標(biāo)，實驗指標(biāo)-氨氮去除率的平均值為縱坐標(biāo)繪制圖2，由圖2可看出，對陰離子表面活性劑的三個水平，氨氮去除率隨著碳數(shù)的增加而增加;對于復(fù)配物酯類的三個水平分別是乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯，處理氨氮的工藝水平的去除率表現(xiàn)為先降后升，其中乙酸乙酯與陰離子表面活性劑的復(fù)配對吹脫去除氨氮的增效增能的作用最明顯，其次則是乙酸丁酯和甲酸乙酯;復(fù)配比的三個水平(1∶1，3∶4，3∶2)中的最優(yōu)對比水平為3∶4，其次為3∶2和1∶1，可初步推斷復(fù)配物與陰離子表面活性劑以小于1的比例復(fù)配作為脫氮劑對氨氮脫除的增效作用更為顯著。

　　2.3陰陽離子表面活性劑復(fù)配的實驗結(jié)果分析

　　以上陰、陽離子表面活性劑的復(fù)配實驗中，都有表面活性劑本身的復(fù)配與運(yùn)用，其分析如表7。

　　由表8可見，F(xiàn)<f0.05，可見陰陽離子表面活性劑的種類及其復(fù)配比對氨氮去除效果均無顯著影響，進(jìn)而用極差進(jìn)行直觀分析，由表9可發(fā)現(xiàn)，陽離子表面活性劑的種類對氨氮去除率影響最大，其次為陰離子表面活性劑種類和復(fù)配比。< p="">

　　陽離子表面活性劑的三個水平(TTAB/CTAB/STAB)中的優(yōu)先水平為A2，即CTAB;陰離子表面活性劑的三個水平(STBS/AOS/SHBS)中的優(yōu)水平為B1，即STBS;復(fù)配比的三個水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為C2，即3∶4，可得最佳的組合為A2B1C2。從而根據(jù)正交實驗具有代表性和綜合可比性的特征可初步推斷出，STBS與CTAB以3∶4的質(zhì)量比復(fù)配即為本正交實驗的最優(yōu)搭配組合。

　　以實驗設(shè)計的各因素水平為橫坐標(biāo)，實驗指標(biāo)-氨氮去除率的平均值為縱坐標(biāo)繪制圖3，由圖3可看出，對于陽離子表面活性劑的三個水平而言，氨氮去除率隨著碳數(shù)的增多而提高，其中CTAB為陽離子表面活性劑的最優(yōu)水平，因此CTAB的增效作用是所選幾種陽離子表面活性劑中最好的。

　　對陰離子表面活性劑的三個水平而言，STBS為陰離子表面活性劑的最優(yōu)水平，因此STBS對吹脫去除氨氮的增效作用是所選幾種陰離子表面活性劑中最好的，也是表面活性劑選擇中最優(yōu)的。復(fù)配比的三個水平(1∶1，3∶4，3∶2)中優(yōu)水平為3∶2，其次為3∶4和1∶1，說明陰陽離子表面活性劑以大于1的復(fù)配比復(fù)配對吹脫去除氨氮的增效作用更顯著。

　　三、結(jié)論

　　本實驗分別以復(fù)配前后的表面活性劑混合溶液做為脫氮劑，對比氨氮去除率，發(fā)現(xiàn)表面活性劑在復(fù)配了一定量有機(jī)物或不同類表面活性劑后，對氨氮去除的增效作用更為顯著。復(fù)配組合中的最優(yōu)組合：a.陽離子表面活性劑與酯類復(fù)配的最優(yōu)組合：乙酸丁酯與STAB以3∶2的質(zhì)量比搭配;b.陰離子表面活性劑與酯類復(fù)配的最優(yōu)組合：乙酸乙酯與AOS以3∶4的質(zhì)量比搭配;c.陰陽離子表面活性劑復(fù)配的最優(yōu)組合：STBS與CTAB以3∶4的質(zhì)量比搭配。

　　最后選用促脫劑是乙酸乙酯與AOS以3∶4的質(zhì)量比的搭配，其促進(jìn)超聲吹脫的氨氮去除率最高為77.17%;最優(yōu)組合所得復(fù)配物為脫氮劑處理不同濃度的氨氮廢水，可發(fā)現(xiàn)氨氮濃度的高低對投加促脫劑的超聲吹脫效率的影響不大。

　　加在運(yùn)行周期中可使設(shè)備的耐磨防腐性更優(yōu)。因此在超聲吹脫法-吸附的基礎(chǔ)上投加促脫劑來減少氨氮污染排放的方法是切實可行的，且處理環(huán)境的需求同單純工藝處理相比需求更低，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。（來源：蘇州市宏宇環(huán)境科技股份有限公司常州分公司；常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院）