CN112551781A - 一种高氨氮废水的脱氮处理方法及其装置 - Google Patents

一种高氨氮废水的脱氮处理方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高氨氮废水的脱氮处理方法及其装置，属于废水处理技术领域。本发明通过装置本体内部平行设置有具有曝气孔的曝气板，并在曝气板两端设置有超声装置；在装置本体底部设置有曝气管道和曝气头，使废水中的氨氮经过曝气头和曝气孔二次吹脱处理，以氨气的形式释放出来，再经过进一步的超声波空化作用，将氨气完全分解为氮气和氢气，不仅提高氨氮脱除效率，减少二次污染，而且改善脱氮过程中易堵塞的现象；进一步，通过实时监测脱氮过程中的各项参数，实现脱氮全过程的精准可控，本发明的脱氮处理方法及其装置特别适用于氨氮浓度范围为500mg/L‑1000mg/L，COD范围5000mg/L‑10000mg/L的高氨氮废水的前期预处理。

Description

一种高氨氮废水的脱氮处理方法及其装置
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，更具体地说，涉及一种高氨氮废水的脱氮处理方法及其装置。
背景技术
高浓度氨氮废水常见的处理方式是物化—生化联合处理法，高浓度氨氮对生化处理有抑制作用，因此前端会选择物理化学法进行预处理。传统脱氮工艺采用的是吹脱法，主要是在碱性环境下，利用相平衡原理，通过空气或蒸汽吹脱的方法，使氨气从溶液中脱离，进而达到脱氮的目的。
经检索发现，公布号CN107459177A，公布日为2017年12月12日的中国发明专利申请公开了一种高氨氮废水的吹脱处理方法，高氨氮废水经过碱混、加热、吹脱及pH回调等步骤去除高氨氮废水中的氨氮，但是该发明需要使传质液膜厚度变薄并及时打破气泡，减小游离态氨在液膜中传质的阻力，并不断更新气泡内空气，才有利于气液相有效传质，提高游离态氨传质速率，从而达到提高氨氮去除率的目的。这就存在脱氮过程不可控、氨氮脱除效率较低、易堵塞、从溶液中脱离的氨气易产生二次污染等问题，因此需要探索氨氮脱除率高、脱氮过程可控、无二次污染的新型脱氮工艺及治理装置。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中高氨氮废水的脱氮过程不可控、氨氮脱除效率低、易堵塞、易产生二次污染等问题，本发明提供一种新型高氨氮废水的脱氮处理方法及其装置。本发明通过装置本体内部平行设置具有曝气孔的曝气板，并在曝气板两端设置超声装置；在装置本体底部设置曝气管道和曝气头，通过曝气头和曝气孔的多重曝气作用，使废水中的氨氮经过吹脱，以氨气的形式充分释放出来，再经过进一步的超声波空化作用，将释放出的氨气分解为氮气和氢气，不仅提高了氨氮脱除效率，减少了二次污染，还改善了脱氮过程中易堵塞的现象；进一步，通过实时监测脱氮过程中的各项参数，实现脱氮全过程的精准可控。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，包括装置本体、进水口和出水口，进水口位于装置本体底部，出水口位于装置本体顶部，其中装置本体内部平行设置有曝气板，并且曝气板上设置有曝气孔，曝气板两端设置有超声装置；装置本体底部设置有曝气管道和曝气头，曝气管道位于曝气头下方，曝气头和曝气孔通过曝气管道与鼓风机相连。
优选地，所述曝气板的个数n的取值范围为1≤n≤[H-1]，其中[]为取整符号，H为装置本体的高度，单位为米。
优选地，所述曝气板上设置有多个曝气孔，曝气孔的孔径为6-8mm，相邻曝气孔的圆心距为9-12mm。
优选地，所述装置本体内部平行设置有多个曝气板，所述多个曝气板之间是等距排列的。
优选地，所述曝气板底部设置有pH感应装置。更优选地，所述pH感应装置为涂饰在曝气板底部的pH感应材料。
优选地，所述曝气管道包括曝气主管和曝气支管，曝气支管与曝气主管相连。
本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，还包括回流口，所述回流口设置在装置本体底部，所述回流口与出水口之间设置有回流管道，回流管道上设置有回流控制阀，用于控制出水回流进入回流管道或经出水管道排出。
优选地，本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，还包括药剂投加口，所述药剂投加口设置在装置本体顶部，药剂投加口通过管道与药剂投加装置相连。
本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理方法，采用上述的脱氮处理装置进行高氨氮废水的脱氮处理，其具体步骤为：
S10、将高氨氮废水通过进水口进入装置本体，开启鼓风机和超声装置；
S20、鼓风机将空气鼓入曝气管道，经由曝气头对废水进行一次曝气处理，吹脱废水中的氨气；
S30、步骤S20中吹脱释放出的氨气自下而上接触曝气板，并且废水经由曝气板上的曝气孔进行二次曝气处理，进一步吹脱释放出氨气，氨气通过曝气板两端设置的超声装置进行超声空化处理，分解为氮气和氢气，氮气和氢气可以直接排放至装置本体外部，处理后的出水达标后由出水口排出。
优选地，本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理方法，还包括步骤S40、实时监测处理过程中的气液比、声能密度、酸碱度、处理温度和处理时间，根据以下方程式，实现对废水脱氮率的全过程控制：
Figure BDA0002848682830000021
其中，ηα表示脱氮率，M表示曝气气液比，ρ表示超声声能密度，pH表示废水酸碱度，T表示废水温度，t表示处理时间。
优选地，本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理方法，还包括步骤S50、调节回流控制阀，将出水通过回流管道由回流口进入装置本体底部，进行二次深层处理，如此循环运行，直至水质达标。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，通过在装置本体内部平行设置具有曝气孔的曝气板，并在曝气板两端设置超声装置，在装置本体底部设置有曝气头，通过曝气头和曝气孔的多重曝气作用，充分吹脱废水中的氨氮，吹脱释放出来的氨气再经过进一步的超声波空化作用，分解为氮气和氢气，显著提高脱氮效率，解决脱氮过程中的二次污染，并且改善脱氮过程中易堵塞的现象；
(2)本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，曝气板上安装了超声装置，该超声装置产生的超声波震荡不仅可加速氨氮的吹脱速度，对吹脱出的氨气进行空化作用，将其分解为氮气和氢气，还可防止曝气孔结垢堵塞；此外还可利用自身超声波测量水体温度，结合曝气板底部安装的pH感应装置，可实时监测处理过程中的温度、pH等水质情况，实现脱氮全过程的精准可控；
(3)本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理方法，建立得到不同温度下超声吹脱的氨氮脱除率与温度T、pH、气液比M、声能密度ρ、总反应时间t的关系式ηα＝(MpH)/300+(TΠ+30ρt)/3Π，进而可依据该公式调节不同温度下的各因素值，以保证良好的吹脱效率；
(4)本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理方法及其装置，适用于氨氮浓度范围为500mg/L-1000mg/L，COD范围5000mg/L-10000mg/L的高氨氮废水的前期预处理。
附图说明
图1为本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置的结构示意图；
图2为本发明的高氨氮废水脱氮处理装置中的曝气板的俯视图；
图3为本发明的高氨氮废水脱氮处理装置中的曝气板的主视图；
图中：
100、装置本体；101、进水口；102、出水口；
110、有曝气板；1101、曝气孔；1102、超声装置；1103、pH感应装置；
120、曝气管道；1201、曝气主管；1202、曝气支管；130、曝气头；
140、回流口；141、回流管道；142、出水管道；143、回流控制阀；
150、药剂投加口；200、鼓风机；300、药剂投加装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
如图1所示，本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，包括装置本体100、进水口101和出水口102，进水口101位于装置本体100底部，出水口102位于装置本体100顶部，所述装置本体100可以是进行脱氮预处理的池体，池体尺寸可以设计为长20-30m，宽5-8m，高4-7m。
装置本体100内部平行设置有一个或多个曝气板110，所述曝气板110的个数n根据装置本体100的高度来设计，通常n的取值范围为1≤n≤[H-1]，其中[]为取整符号，H为装置本体100的高度，单位为米。当装置本体100内部平行设置有多个曝气板110时，所述多个曝气板110之间是等距排列的。
装置本体100底部设置有曝气管道120和曝气头130，曝气管道120位于曝气头130下方，曝气头130通过曝气管道120与鼓风机200相连；所述曝气管道120包括曝气主管1201和曝气支管1202，通过鼓风机200鼓入的空气经过曝气主管1201进入曝气支管1202，而后经过曝气支管1202进入曝气头130，对装置本体100中的废水进行曝气，吹脱废水中的氨气。
需要说明的是，所述曝气板110上设置有多个曝气孔1101，曝气孔1101通过曝气管道120与鼓风机200相连。曝气板110上的曝气孔1101设计可以对废水进行多重曝气，每增加一块曝气板，废水曝气次数增加一次，充分吹脱释放出废水中的氨气，其中曝气孔1101的孔径优选为6-8mm，相邻曝气孔1101之间的圆心距优选为9-12mm。
在曝气板110两端设置有超声装置1102，优选表面超声装置，用于对吹脱释放出的氨气进行超声空化作用，将氨气进一步分解为氮气和氢气。同时，在曝气板110底部可以设置有pH感应装置1103，用于检测处理装置中废水的pH值；优选地，所述pH感应装置1103可以是涂饰在曝气板底部的任何pH感应材料。
此外，本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置还包括回流口140，所述回流口140设置在装置本体100底部，所述回流口140与出水口102之间设置有回流管道141，回流管道141上设置有回流控制阀143，所述回流控制阀143可以是三通阀，用于控制氨氮未达标的出水回流进入回流管道141中循环进行处理，或控制氨氮达标的出水经出水口102从出水管道142排出。
在一些实施方案中，本发明的一种高氨氮废水的脱氮处理装置还可以包括药剂投加口150，用于向废水投加酸碱药剂以调整装置本体100内废水的pH值，所述药剂投加口150设置在装置本体100顶部，药剂投加口150通过管道与药剂投加装置300相连。
采用本发明的高氨氮废水脱氮处理装置进行废水脱氮处理的方法，具体包括以下步骤：
S10、将待处理的高氨氮废水通过进水口101进入装置本体100，开启鼓风机200和超声装置1102；
S20、鼓风机200将空气鼓入曝气管道120，经由曝气头130对废水进行一次曝气处理，吹脱废水中的氨气；
S30、步骤S20中吹脱释放出的氨气自下而上接触曝气板110，并且废水经由曝气板110上的曝气孔1101进行二次曝气处理，进一步吹脱释放出氨气，氨气通过曝气板110两端设置的超声装置1102进一步进行超声空化处理，分解为氮气和氢气，氮气和氢气可以直接排放至装置本体100外部。
需要说明的是，超声波降解水中化合物的主要反应为高温热解反应和自由基反应；而在本发明中，对于氨气这类易挥发性物质，空化作用主要表现为高温热解反应。单独吹脱时氨氮的去除路径是以转化为氨气为主，单独超声时氨氮的去除路径是将释放的氨气发生高温热解反应，转化为氮气和氢气，因此，本发明的超声吹脱则是以上两种去除路径的结合。
S40、实时监测处理过程中的气液比、声能密度、酸碱度、处理温度和处理时间，根据以下方程式(1)，实现对废水脱氮率的全过程控制：
Figure BDA0002848682830000051
其中，ηα表示脱氮率，M表示曝气气液比，ρ表示超声声能密度，pH表示废水酸碱度，T表示废水温度，t表示处理时间；
S50、对处理后出水进行氨氮检测，氨氮检测装置(未示出)可以设置在出水口102下方。当出水氨氮达标时，调节回流控制阀143，打开出水管道142，关闭回流管道141，将出水通过出水口102排出；当出水氨氮未达标时，调节回流控制阀143，关闭出水管道142，打开回流管道141，出水通过回流管道141由回流口140进入装置本体100底部，进行二次深层处理，如此循环运行，直至水质达标。
需要说明的是，在本发明中，可通过操控曝气板、曝气管道和曝气头来调整处理过程中的参数“气液比M”的值；通过调控设置在曝气板两端的超声装置来调整参数“声能密度ρ”的值，也可通过超声装置探测废水温度：C＝331.6+0.6T，其中C为超声波声速，单位为m/s，T为温度，单位为℃；并且通过曝气板底部的pH感应装置，实时感应装置本体中废水的pH值，而且这些信号可以传递给装置本体外部的显示装置，例如手机屏幕。
需要进一步说明的是，影响脱氮率的主要因素有温度T、气液比M、声能密度ρ、反应时间t、酸碱度pH。上述脱氮率与T、pH、M、ρ、t等因素的方程式(1)是综合考虑到上述因素共同作用于反应系统，设计了5因素5水平正交实验，根据实验数据拟合得出的。
假定M、T、t为恒定值，ηα为80-95％间的定值，由脱氮率与各影响因素的方程式(1)可知，在M、T、t、ηα为定值的情况下，调整pH与ρ值，可以达到理想脱氮率。同理，假定M、pH、ρ为恒定值，ηα为80-95％间的定值，调整T与t值，可以达到理想脱氮率。因此，可以设定温度T、气液比M、声能密度ρ、反应时间t、酸碱度pH任意三个影响因素保持不变，ηα为80-95％间的定值，均可根据公式(1)推导出另外两个影响因素的关系式，调整这两个变量的参数值，进而达到理想脱氮率的目的。
实施例1
本实施例的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其中装置本体100的尺寸为长21m，宽5m，高6m，装置本体100内部设置有4个曝气板110。曝气孔1101的孔径为6mm，相邻曝气孔1101之间的圆心距为10mm。
采用本实施例的脱氮处理装置，在-5℃的温度下进行高氨氮废水的脱氮处理，待处理的高氨氮废水的初始氨氮值为800mg/L，废水通过进水口101进入装置本体100，开启鼓风机200和超声装置1102，鼓风机200将空气鼓入曝气管道120，经由曝气头130对废水进行曝气处理，吹脱释放出废水中的氨气，吹脱出的氨气和吹脱后的废水自下而上接触曝气板110，通过曝气板110两端设置的超声装置1102进一步进行超声空化处理，将氨气分解为氮气和氢气，其中控制处理过程中气液比M为1700，声能密度ρ为0.04W/mL，废水pH为12，当反应处理130min时，废水的氨氮值为137mg/L，脱氮率达到82.9％，具体如下表1所示。
实施例2
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其中装置本体100的尺寸为长23m，宽7m，高6.5m，装置本体100内部设置有5个曝气板110。曝气孔1101的孔径为7mm，相邻曝气孔1101之间的圆心距为9mm。
采用本实施例的脱氮处理装置，在5℃的温度下进行高氨氮废水的脱氮处理，待处理的高氨氮废水的初始氨氮值为900mg/L，其中控制处理过程中气液比M为1600，声能密度ρ为0.04W/mL，废水pH为12，当反应处理120min时，废水的氨氮值为171mg/L，脱氮率达到81.0％，具体如下表1所示。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其中装置本体100的尺寸为长20m，宽5m，高6m，装置本体100内部设置有3个曝气板110。曝气孔1101的孔径为6mm，相邻曝气孔1101之间的圆心距为10mm。
采用本实施例的脱氮处理装置，在15℃的温度下进行高氨氮废水的脱氮处理，待处理的高氨氮废水的初始氨氮值为600mg/L，其中控制处理过程中气液比M为1450，声能密度ρ为0.03W/mL，废水pH为13，当反应处理150min时，废水的氨氮值为107mg/L，脱氮率达到82.2％，具体如下表1所示。
实施例4
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其中装置本体100的尺寸为长28m，宽7m，高7m，装置本体100内部设置有4个曝气板110。曝气孔1101的孔径为6mm，相邻曝气孔1101之间的圆心距为9mm。
采用本实施例的脱氮处理装置，在25℃的温度下进行高氨氮废水的脱氮处理，待处理的高氨氮废水的初始氨氮值为1000mg/L，其中控制处理过程中气液比M为1700，声能密度ρ为0.03W/mL，废水pH为11，当反应处理120min时，废水的氨氮值为179mg/L，脱氮率达到82.1％，具体如下表1所示。
实施例5
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其中装置本体100的尺寸为长24m，宽6m，高4m，装置本体100内部设置有3个曝气板110。曝气孔1101的孔径为6mm，相邻曝气孔1101之间的圆心距为9mm。
采用本实施例的脱氮处理装置，在35℃的温度下进行高氨氮废水的脱氮处理，待处理的高氨氮废水的初始氨氮值为500mg/L，其中控制处理过程中气液比M为1700，声能密度ρ为0.03W/mL，废水pH为11，当反应处理100min时，废水的氨氮值为82mg/L，脱氮率达到83.6％，具体如下表1所示。
表1实施例1-5中不同参数条件下的脱氮处理效果
Figure BDA0002848682830000071
由表1所示的结果可知，实施例1-5各因素与脱氮率的关系均符合方程式
Figure BDA0002848682830000072
通过本发明的脱氮处理方法，不仅可以提高氨氮脱除效率，减少二次污染，改善脱氮过程中易堵塞的现象；而且可以通过实时监测脱氮过程中的各项参数，实现脱氮全过程的精准可控。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所用的数据也只是本发明的实施方式之一，实际的数据组合并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出于该技术方案相似的实施方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高氨氮废水的脱氮处理装置，包括装置本体(100)、进水口(101)和出水口(102)，进水口(101)位于装置本体(100)底部，出水口(102)位于装置本体(100)顶部，其特征在于：装置本体(100)内部平行设置有曝气板(110)，并且曝气板(110)上设置有曝气孔(1101)，曝气板(110)两端设置有超声装置(1102)；装置本体(100)底部设置有曝气管道(120)和曝气头(130)，曝气管道(120)位于曝气头(130)下方，曝气头(130)和曝气孔(1101)通过曝气管道(120)与鼓风机(200)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其特征在于：所述曝气板(110)的个数n的取值范围为1≤n≤[H-1]，其中[]为取整符号，H为装置本体(100)的高度，单位为米。
3.根据权利要求1所述的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其特征在于：所述曝气板(110)上设置有多个曝气孔(1101)，曝气孔(1101)的孔径为6-8mm，相邻曝气孔(1101)的圆心距为9-12mm。
4.根据权利要求1所述的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其特征在于：所述装置本体(100)内部平行设置有多个曝气板(110)，所述多个曝气板(110)之间是等距排列的。
5.根据权利要求1所述的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其特征在于：所述曝气板(110)底部设置有pH感应装置(1103)。
6.根据权利要求1所述的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其特征在于：所述曝气管道(120)包括曝气主管(1201)和曝气支管(1202)，曝气支管(1202)与曝气主管(1201)相连。
7.根据权利要求1所述的一种高氨氮废水的脱氮处理装置，其特征在于：还包括回流口(140)，所述回流口(140)设置在装置本体(100)底部，所述回流口(140)与出水口(102)之间设置有回流管道(141)，回流管道(141)上设置有回流控制阀(143)，用于控制出水回流进入回流管道(141)中；或者还包括药剂投加口(150)，所述药剂投加口(150)设置在装置本体(100)顶部，药剂投加口(150)通过管道与药剂投加装置(300)相连。
8.一种高氨氮废水的脱氮处理方法，其特征在于：采用根据权利要求1-7中任一项所述的脱氮处理装置进行高氨氮废水的脱氮处理，其具体步骤为：
S10、将高氨氮废水通过进水口(101)进入装置本体(100)，开启鼓风机(200)和超声装置(1102)；
S20、鼓风机(200)将空气鼓入曝气管道(120)，经由曝气头(130)对废水进行一次曝气处理，吹脱废水中的氨气；
S30、步骤S20中吹脱释放出的氨气自下而上接触曝气板(110)，并且废水经由曝气板(110)上的曝气孔(1101)进行二次曝气处理，进一步吹脱释放出氨气，氨气通过曝气板(110)两端设置的超声装置(1102)进行超声空化处理，分解为氮气和氢气，氮气和氢气直接排放至装置本体(100)外部，处理后的出水由出水口(102)排出。
9.根据权利要求8所述的一种高氨氮废水的脱氮处理方法，其特征在于，还包括步骤S40、实时监测处理过程中的气液比、声能密度、酸碱度、处理温度和处理时间，根据以下方程式，实现对废水脱氮率的全过程控制：
Figure FDA0002848682820000021
其中，ηα表示脱氮率，M表示曝气气液比，ρ表示超声声能密度，pH表示废水酸碱度，T表示废水温度，t表示处理时间。
10.根据权利要求8所述的一种高氨氮废水的脱氮处理方法，其特征在于，还包括步骤S50、调节回流控制阀(143)，将出水通过回流管道(141)由回流口(140)进入装置本体(100)底部，进行循环处理。
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