Chemische stof en proces voor het verwijderen van ammoniakstikstof uit water

1. Wat is ammoniakstikstof?

Ammoniakstikstof verwijst naar ammoniak in de vorm van vrije ammoniak (of niet-ionische ammoniak, NH3) of ionische ammoniak (NH4+). Een hogere pH-waarde resulteert in een hoger gehalte aan vrije ammoniak; daarentegen is het gehalte aan ammoniumzout hoog.

Ammoniakstikstof is een voedingsstof in water die kan leiden tot eutrofiëring van het water en is de belangrijkste zuurstofverbruikende verontreinigende stof in water, die giftig is voor vissen en sommige waterorganismen.

Het belangrijkste schadelijke effect van ammoniakstikstof op waterorganismen is vrije ammoniak, waarvan de toxiciteit tientallen malen groter is dan die van ammoniumzout en toeneemt met een hogere alkaliteit. De toxiciteit van ammoniakstikstof hangt nauw samen met de pH-waarde en de watertemperatuur van het zwembadwater; over het algemeen geldt: hoe hoger de pH-waarde en de watertemperatuur, hoe sterker de toxiciteit.

Twee colorimetrische methoden met een benaderende gevoeligheid die vaak worden gebruikt om ammoniak te bepalen, zijn de klassieke Nessler-reagensmethode en de fenol-hypochlorietmethode. Titraties en elektrische methoden worden ook vaak gebruikt om ammoniak te bepalen; wanneer het ammoniakstikstofgehalte hoog is, kan ook de destillatietitratiemethode worden gebruikt. (Nationale normen omvatten de Nessler-reagensmethode, salicylzuurspectrofotometrie en de destillatietitratiemethode.)

2. Fysisch en chemisch stikstofverwijderingsproces

① Chemische precipitatiemethode

De chemische precipitatiemethode, ook wel MAP-precipitatie genoemd, houdt in dat magnesium en fosforzuur of waterstoffosfaat worden toegevoegd aan afvalwater dat ammoniakstikstof bevat. Hierdoor reageert de NH4+ in het afvalwater met Mg+ en PO4- in een waterige oplossing, waardoor magnesiumammoniumfosfaat (MgNH4PO4·6H2O) neerslaat. Op deze manier wordt de ammoniakstikstof verwijderd. Magnesiumammoniumfosfaat, beter bekend als struviet, kan worden gebruikt als compost, bodemverbeteraar of brandvertrager voor bouwmaterialen. De reactievergelijking is als volgt:

Mg++ NH4 + + PO4 – = MgNH4PO4

De belangrijkste factoren die het behandelingseffect van chemische precipitatie beïnvloeden, zijn de pH-waarde, de temperatuur, de ammoniakstikstofconcentratie en de molaire verhouding (n(Mg+) : n(NH4+) : n(PO4-)). De resultaten tonen aan dat een behandelingseffect beter is wanneer de pH-waarde 10 is en de molaire verhouding van magnesium, stikstof en fosfor 1,2:1:1,2 bedraagt.

Bij gebruik van magnesiumchloride en dinatriumwaterstoffosfaat als neerslagmiddelen blijkt uit de resultaten dat het behandelingseffect beter is wanneer de pH-waarde 9,5 is en de molaire verhouding van magnesium, stikstof en fosfor 1,2:1:1 bedraagt.

De resultaten tonen aan dat MgCl2 + Na3PO4·12H2O superieur is aan andere combinaties van neerslagmiddelen. Bij een pH-waarde van 10,0, een temperatuur van 30 °C en een verhouding van n(Mg+) : n(NH4+) : n(PO4-) = 1:1:1, wordt de massaconcentratie van ammoniakstikstof in het afvalwater na 30 minuten roeren verlaagd van 222 mg/L vóór behandeling tot 17 mg/L, wat resulteert in een verwijderingspercentage van 92,3%.

De chemische precipitatiemethode en de vloeibare membraanmethode werden gecombineerd voor de behandeling van industrieel afvalwater met een hoge concentratie ammoniakstikstof. Onder geoptimaliseerde omstandigheden bereikte het precipitatieproces een verwijderingspercentage van 98,1%. Vervolgens werd de ammoniakstikstofconcentratie door verdere behandeling met de vloeibare membraanmethode teruggebracht tot 0,005 g/L, waarmee werd voldaan aan de nationale emissienorm van de hoogste klasse.

Het effect van tweewaardige metaalionen (Ni+, Mn+, Zn+, Cu+, Fe+) anders dan Mg+ op de verwijdering van ammoniakstikstof onder invloed van fosfaat werd onderzocht. Een nieuw proces van CaSO4-precipitatie gevolgd door MAP-precipitatie werd voorgesteld voor afvalwater met ammoniumsulfaat. De resultaten tonen aan dat de traditionele NaOH-regelaar vervangen kan worden door kalk.

Het voordeel van de chemische precipitatiemethode is dat wanneer de concentratie ammoniakstikstof in afvalwater hoog is, de toepassing van andere methoden, zoals biologische methoden, breakpointchlorering, membraanscheiding en ionenuitwisseling, beperkt is. In dat geval kan de chemische precipitatiemethode worden gebruikt als voorbehandeling. De verwijderingsefficiëntie van de chemische precipitatiemethode is beter, de methode is niet temperatuurafhankelijk en de bediening is eenvoudig. Het geprecipiteerde slib, dat magnesiumammoniumfosfaat bevat, kan worden gebruikt als samengestelde meststof voor afvalverwerking, waardoor een deel van de kosten wordt gecompenseerd. In combinatie met industriële bedrijven die fosfaathoudend afvalwater produceren en bedrijven die zoutwater produceren, kunnen farmaceutische kosten worden bespaard en grootschalige toepassing worden vergemakkelijkt.

Het nadeel van de chemische precipitatiemethode is dat, vanwege de beperkte oplosbaarheid van ammoniummagnesiumfosfaat, het verwijderingseffect na een bepaalde concentratie ammoniakstikstof in het afvalwater niet meer显著 is en de kosten aanzienlijk stijgen. Daarom moet de chemische precipitatiemethode in combinatie met andere geschikte methoden voor geavanceerde zuivering worden gebruikt. Er wordt een grote hoeveelheid reagens gebruikt, er ontstaat veel slib en de behandelingskosten zijn hoog. De introductie van chloride-ionen en restfosfor tijdens de dosering van chemicaliën kan gemakkelijk secundaire vervuiling veroorzaken.

Groothandel in aluminiumsulfaat, fabrikant en leverancier | EVERBRIGHT (cnchemist.com)

Groothandel in dibasisch natriumfosfaat | EVERBRIGHT (cnchemist.com)

② afblaasmethode

Bij de verwijdering van ammoniakstikstof door middel van doorblazen wordt de pH-waarde alkalisch gemaakt, waardoor de ammoniakionen in het afvalwater worden omgezet in ammoniak. Hierdoor blijft er voornamelijk vrije ammoniak over. Deze vrije ammoniak wordt vervolgens met behulp van een draaggas uit het afvalwater verwijderd, waardoor de ammoniakstikstof wordt verwijderd. De belangrijkste factoren die de doorblaasefficiëntie beïnvloeden zijn de pH-waarde, de temperatuur, de gas-vloeistofverhouding, de gasstroomsnelheid en de beginconcentratie. De doorblaasmethode wordt momenteel veelvuldig toegepast bij de behandeling van afvalwater met een hoge ammoniakstikstofconcentratie.

De verwijdering van ammoniakstikstof uit stortplaatspercolaat met behulp van de blow-off-methode werd onderzocht. Er werd vastgesteld dat de belangrijkste factoren die de efficiëntie van de blow-off bepalen, temperatuur, gas-vloeistofverhouding en pH-waarde zijn. Wanneer de watertemperatuur hoger is dan 259 °C, de gas-vloeistofverhouding ongeveer 3500 bedraagt ​​en de pH ongeveer 10,5 is, kan het verwijderingspercentage meer dan 90% bereiken voor stortplaatspercolaat met een ammoniakstikstofconcentratie van 2000-4000 mg/L. De resultaten tonen aan dat bij een pH van 11,5, een strippingstemperatuur van 80 °C en een strippingstijd van 120 minuten, het verwijderingspercentage van ammoniakstikstof in afvalwater 99,2% kan bereiken.

De spoelrendement van afvalwater met een hoge ammoniakstikstofconcentratie werd bepaald met behulp van een tegenstroomspoeltoren. De resultaten toonden aan dat het spoelrendement toenam met een hogere pH-waarde. Hoe groter de gas-vloeistofverhouding, hoe groter de drijvende kracht voor de massaoverdracht bij de ammoniakstripping, en hoe hoger het spoelrendement.

De verwijdering van ammoniakstikstof door middel van afblazen is effectief, eenvoudig te bedienen en gemakkelijk te controleren. De afgeblazen ammoniakstikstof kan samen met zwavelzuur als absorptiemiddel worden gebruikt, en de gevormde zwavelzuur kan als meststof dienen. De afblaasmethode is momenteel een veelgebruikte technologie voor de fysieke en chemische verwijdering van stikstof. De afblaasmethode kent echter enkele nadelen, zoals frequente kalkaanslag in de afblaastoren, een lage verwijderingsefficiëntie van ammoniakstikstof bij lage temperaturen en secundaire vervuiling door het afblaasgas. De afblaasmethode wordt doorgaans gecombineerd met andere methoden voor de behandeling van afvalwater met een hoge ammoniakstikstofconcentratie om afvalwater voor te behandelen.

③Breakpoint-chlorering

Het mechanisme van ammoniakverwijdering door breakpointchlorering is dat chloorgas reageert met ammoniak en daarbij onschadelijk stikstofgas produceert. N2 ontsnapt in de atmosfeer, waardoor de reactiebron zich naar rechts voortzet. De reactievergelijking is:

HOCl NH4 + + 1.5 – > 0.5 N2 H20 H++ Cl – 1.5 + 2.5 + 1.5)

Wanneer chloorgas tot een bepaald punt aan afvalwater wordt toegevoegd, is het gehalte aan vrij chloor in het water laag en de ammoniakconcentratie nul. Wanneer de hoeveelheid chloorgas dit punt overschrijdt, neemt de hoeveelheid vrij chloor in het water toe. Dit punt wordt het omslagpunt genoemd en de chlorering in deze toestand heet omslagpuntchlorering.

De breakpointchloreringsmethode wordt gebruikt om boorafvalwater te behandelen na het inblazen van ammoniakstikstof. Het behandelingseffect wordt direct beïnvloed door het voorbehandelingsproces met ammoniakstikstofinjectie. Wanneer 70% van de ammoniakstikstof in het afvalwater is verwijderd door het inblazen en vervolgens behandeld met breakpointchlorering, is de massaconcentratie van ammoniakstikstof in het effluent minder dan 15 mg/L. Zhang Shengli et al. gebruikten gesimuleerd ammoniakstikstofhoudend afvalwater met een massaconcentratie van 100 mg/L als onderzoeksobject. De onderzoeksresultaten toonden aan dat de belangrijkste en secundaire factoren die de verwijdering van ammoniakstikstof door oxidatie met natriumhypochloriet beïnvloeden, de verhouding tussen chloor en ammoniakstikstof, de reactietijd en de pH-waarde zijn.

De breakpointchloreringsmethode heeft een hoge stikstofverwijderingsefficiëntie; de ​​verwijderingsgraad kan 100% bereiken en de ammoniakconcentratie in afvalwater kan tot nul worden gereduceerd. Het effect is stabiel en wordt niet beïnvloed door de temperatuur; er is weinig investering in apparatuur nodig, de reactie is snel en volledig; en het heeft een steriliserend en desinfecterend effect op het water. De breakpointchloreringsmethode is geschikt voor afvalwater met een ammoniakstikstofconcentratie van minder dan 40 mg/L, waardoor deze methode voornamelijk wordt gebruikt voor de geavanceerde behandeling van afvalwater met ammoniakstikstof. Bij deze geavanceerde behandeling zijn hoge eisen aan veilig gebruik en opslag gesteld, zijn de behandelingskosten hoog en kunnen de bijproducten chlooraminen en gechloreerde organische stoffen secundaire vervuiling veroorzaken.

④ katalytische oxidatiemethode

Bij katalytische oxidatie worden, onder bepaalde temperatuur en druk, organische stoffen en ammoniak in afvalwater door middel van een katalysator geoxideerd en afgebroken tot onschadelijke stoffen zoals CO2, N2 en H2O, waardoor het afvalwater gezuiverd wordt.

De factoren die van invloed zijn op het effect van katalytische oxidatie zijn onder andere de eigenschappen van de katalysator, de temperatuur, de reactietijd, de pH-waarde, de ammoniakstikstofconcentratie, de druk en de roerintensiteit.

Het afbraakproces van geozoneerd ammoniakstikstof werd bestudeerd. De resultaten toonden aan dat bij een verhoogde pH-waarde een soort HO-radicaal met een sterk oxiderend vermogen werd geproduceerd, waardoor de oxidatiesnelheid aanzienlijk werd versneld. Studies tonen aan dat ozon ammoniakstikstof kan oxideren tot nitriet en nitriet tot nitraat. De concentratie ammoniakstikstof in water neemt af met de tijd, en het verwijderingspercentage van ammoniakstikstof bedraagt ​​ongeveer 82%. CuO-MnO2-CeO2 werd gebruikt als composietkatalysator voor de behandeling van afvalwater met ammoniakstikstof. De experimentele resultaten tonen aan dat de oxidatieactiviteit van de nieuw bereide composietkatalysator aanzienlijk is verbeterd, en dat de geschikte procesomstandigheden 255 °C, 4,2 MPa en pH = 10,8 zijn. Bij de behandeling van afvalwater met ammoniakstikstof met een initiële concentratie van 1023 mg/L kan het verwijderingspercentage van ammoniakstikstof binnen 150 minuten 98% bereiken, waarmee aan de nationale norm voor secundaire lozing (50 mg/L) wordt voldaan.

De katalytische prestaties van een op zeoliet gedragen TiO2-fotokatalysator werden onderzocht door de afbraaksnelheid van ammoniakstikstof in een zwavelzuuroplossing te bestuderen. De resultaten tonen aan dat de optimale dosering van de TiO2/zeoliet-fotokatalysator 1,5 g/L is en de reactietijd 4 uur onder ultraviolette bestraling. De verwijderingsgraad van ammoniakstikstof uit afvalwater kan 98,92% bereiken. Het verwijderingseffect van ijzer en nanochinondioxide onder ultraviolet licht op fenol en ammoniakstikstof werd bestudeerd. De resultaten tonen aan dat de verwijderingsgraad van ammoniakstikstof 97,5% bedraagt ​​bij een pH van 9,0 in een ammoniakstikstofoplossing met een concentratie van 50 mg/L, wat respectievelijk 7,8% en 22,5% hoger is dan bij ijzer of chiondioxide afzonderlijk.

De katalytische oxidatiemethode heeft als voordelen een hoge zuiveringsefficiëntie, een eenvoudig proces en een kleine benodigde ruimte, en wordt vaak gebruikt voor de behandeling van afvalwater met een hoge ammoniakstikstofconcentratie. De moeilijkheid bij de toepassing is het voorkomen van katalysatorverlies en het beschermen van de apparatuur tegen corrosie.

⑤elektrochemische oxidatiemethode

Elektrochemische oxidatie verwijst naar een methode om verontreinigende stoffen in water te verwijderen door middel van elektro-oxidatie met katalytische activiteit. De beïnvloedende factoren zijn stroomdichtheid, instroomdebiet, uitstroomtijd en de tijdsduur van de oplossing.

De elektrochemische oxidatie van ammoniakstikstofhoudend afvalwater in een circulerende elektrolytische cel werd bestudeerd, waarbij de positieve elektrode een Ti/RuO2-TiO2-IrO2-SnO2-netwerk is en de negatieve elektrode een Ti-netwerk. De resultaten tonen aan dat bij een chloride-ionenconcentratie van 400 mg/L, een initiële ammoniakstikstofconcentratie van 40 mg/L, een instroomdebiet van 600 mL/min, een stroomdichtheid van 20 mA/cm² en een elektrolysetijd van 90 min, het ammoniakstikstofverwijderingspercentage 99,37% bedraagt. Dit toont aan dat elektrolytische oxidatie van ammoniakstikstofhoudend afvalwater goede toepassingsmogelijkheden biedt.

3. Biochemisch stikstofverwijderingsproces

① het gehele nitrificatie- en denitrificatieproces

Volledige nitrificatie en denitrificatie is een biologische methode die al lange tijd op grote schaal wordt toegepast. Het zet ammoniakstikstof in afvalwater om in stikstof door middel van een reeks reacties, zoals nitrificatie en denitrificatie, onder invloed van verschillende micro-organismen, om zo het doel van afvalwaterzuivering te bereiken. Het proces van nitrificatie en denitrificatie om ammoniakstikstof te verwijderen, moet twee fasen doorlopen:

Nitrificatiereactie: De nitrificatiereactie wordt uitgevoerd door aerobe autotrofe micro-organismen. In de aerobe toestand wordt anorganische stikstof gebruikt als stikstofbron om NH4+ om te zetten in NO2-, dat vervolgens wordt geoxideerd tot NO3-. Het nitrificatieproces kan worden onderverdeeld in twee fasen. In de tweede fase wordt nitriet door nitrificerende bacteriën omgezet in nitraat (NO3-), en vervolgens wordt nitriet door nitrificerende bacteriën omgezet in nitraat (NO3-).

Denitrificatiereactie: Denitrificatie is het proces waarbij denitrificerende bacteriën nitrietstikstof en nitraatstikstof reduceren tot gasvormige stikstof (N₂) onder zuurstofarme omstandigheden (hypoxie). Denitrificerende bacteriën zijn heterotrofe micro-organismen, waarvan de meeste tot de amfibische bacteriën behoren. Onder hypoxie gebruiken ze zuurstof in nitraat als elektronenacceptor en organisch materiaal (een BOD-component in afvalwater) als elektronendonor om energie te verkrijgen en geoxideerd en gestabiliseerd te worden.

De gehele procesvoering van nitrificatie en denitrificatie omvat technische toepassingen zoals AO, A2O en oxidatiesloten, wat een meer beproefde methode is die wordt gebruikt in de biologische stikstofverwijderingsindustrie.

De volledige nitrificatie- en denitrificatiemethode heeft als voordelen een stabiel effect, eenvoudige bediening, geen secundaire vervuiling en lage kosten. Deze methode kent echter ook enkele nadelen, zoals de noodzaak om een ​​koolstofbron toe te voegen wanneer de C/N-verhouding in het afvalwater laag is, de relatief strenge temperatuureisen, de lage efficiëntie bij lage temperaturen, de grote benodigde oppervlakte, de hoge zuurstofbehoefte en de aanwezigheid van schadelijke stoffen zoals zware metaalionen die een remmend effect hebben op micro-organismen en die daarom vóór de biologische behandeling verwijderd moeten worden. Bovendien remt een hoge concentratie ammoniakstikstof in het afvalwater het nitrificatieproces. Daarom is voorbehandeling noodzakelijk voor afvalwater met een hoge ammoniakstikstofconcentratie, zodat de concentratie lager is dan 500 mg/L. De traditionele biologische methode is geschikt voor de behandeling van afvalwater met een lage ammoniakstikstofconcentratie dat organisch materiaal bevat, zoals huishoudelijk afvalwater, chemisch afvalwater, enzovoort.

② Gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie (SND)

Wanneer nitrificatie en denitrificatie gelijktijdig in dezelfde reactor plaatsvinden, spreekt men van gelijktijdige vergisting en denitrificatie (SND). De hoeveelheid opgeloste zuurstof in afvalwater wordt beperkt door de diffusiesnelheid, waardoor een zuurstofgradiënt ontstaat in de micro-omgeving van de microbiële vlok of biofilm. Deze zuurstofgradiënt aan het buitenoppervlak van de microbiële vlok of biofilm bevordert de groei en vermenigvuldiging van aerobe nitrificerende bacteriën en ammoniakvormende bacteriën. Hoe dieper in de vlok of het membraan, hoe lager de concentratie opgeloste zuurstof, wat resulteert in een anoxische zone waar denitrificerende bacteriën domineren. Zo ontstaat een gelijktijdig vergistings- en denitrificatieproces. Factoren die van invloed zijn op gelijktijdige vergisting en denitrificatie zijn de pH-waarde, temperatuur, alkaliteit, de bron van organische koolstof, de hoeveelheid opgeloste zuurstof en de leeftijd van het slib.

In de Carrousel-oxidatiesloot vonden gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie plaats. De concentratie opgeloste zuurstof tussen de beluchtingsroerders in de Carrousel-oxidatiesloot nam geleidelijk af, waarbij de concentratie opgeloste zuurstof in het onderste deel van de sloot lager was dan in het bovenste deel. De vormings- en verbruikssnelheden van nitraatstikstof waren in beide delen van het kanaal vrijwel gelijk, en de concentratie ammoniakstikstof in het kanaal was altijd zeer laag. Dit wijst erop dat de nitrificatie- en denitrificatiereacties gelijktijdig plaatsvinden in de Carrousel-oxidatiesloot.

Uit onderzoek naar de behandeling van huishoudelijk afvalwater blijkt dat hoe hoger de CODCr-waarde, hoe vollediger de denitrificatie en hoe beter de TN-verwijdering. De invloed van opgeloste zuurstof op gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie is groot. Wanneer de opgeloste zuurstof wordt geregeld op 0,5-2 mg/L, is de totale stikstofverwijdering goed. Tegelijkertijd bespaart de nitrificatie- en denitrificatiemethode ruimte in de reactor, verkort de reactietijd, heeft een laag energieverbruik, bespaart investeringskosten en maakt het gemakkelijk om de pH-waarde stabiel te houden.

③Kortdurende vertering en denitrificatie

In dezelfde reactor worden ammoniakoxiderende bacteriën gebruikt om ammoniak onder aerobe omstandigheden om te zetten in nitriet. Vervolgens wordt het nitriet direct gedenitrificeerd om stikstof te produceren met organisch materiaal of een externe koolstofbron als elektronendonor onder hypoxische omstandigheden. De factoren die van invloed zijn op nitrificatie en denitrificatie op korte afstand zijn temperatuur, vrije ammoniak, pH-waarde en opgeloste zuurstof.

Effect van temperatuur op de kortetermijnnitrificatie van gemeentelijk afvalwater zonder zeewater en gemeentelijk afvalwater met 30% zeewater. De experimentele resultaten tonen aan dat: voor gemeentelijk afvalwater zonder zeewater een verhoging van de temperatuur de kortetermijnnitrificatie bevordert. Wanneer het aandeel zeewater in het huishoudelijk afvalwater 30% bedraagt, kan de kortetermijnnitrificatie beter worden bereikt bij een gemiddelde temperatuur. De Technische Universiteit Delft ontwikkelde het SHARON-proces, waarbij het gebruik van hoge temperaturen (ongeveer 30-40 °C) de proliferatie van nitrietbacteriën bevordert, waardoor de nitrietbacteriën minder concurreren. Door de slibleeftijd te beheersen, worden nitrietbacteriën geëlimineerd, waardoor de nitrificatiereactie in de nitrietfase plaatsvindt.

Op basis van het verschil in zuurstofaffiniteit tussen nitrietbacteriën en nitrietbacteriën heeft het Gent Microbial Ecology Laboratory het OLAND-proces ontwikkeld om de accumulatie van nitrietstikstof te bewerkstelligen door de hoeveelheid opgeloste zuurstof te beheersen en zo nitrietbacteriën te elimineren.

De resultaten van de pilotproef met de behandeling van cokesafvalwater door middel van kortdurende nitrificatie en denitrificatie tonen aan dat wanneer de influentconcentraties van COD, ammoniakstikstof, TN en fenol respectievelijk 1201,6, 510,4, 540,1 en 110,4 mg/L bedragen, de gemiddelde effluentconcentraties van COD, ammoniakstikstof, TN en fenol respectievelijk 197,1, 14,2, 181,5 en 0,4 mg/L zijn. De bijbehorende verwijderingspercentages waren respectievelijk 83,6%, 97,2%, 66,4% en 99,6%.

Het kortdurende nitrificatie- en denitrificatieproces doorloopt niet de nitraatfase, waardoor de koolstofbron die nodig is voor biologische stikstofverwijdering behouden blijft. Het heeft bepaalde voordelen voor afvalwater met ammoniakstikstof en een lage C/N-verhouding. Kortdurende nitrificatie en denitrificatie hebben als voordelen minder slibvorming, een korte reactietijd en een kleiner reactorvolume. Kortdurende nitrificatie en denitrificatie vereisen echter een stabiele en langdurige accumulatie van nitriet, waardoor het effectief remmen van de activiteit van nitrificerende bacteriën cruciaal is.

④ Anaërobe ammoniakoxidatie

Anaerobe ammoxidatie is een proces waarbij ammoniakstikstof rechtstreeks wordt geoxideerd tot stikstof door autotrofe bacteriën onder hypoxische omstandigheden, met stikstofgas of stikstofdioxide als elektronenacceptor.

De effecten van temperatuur en pH op de biologische activiteit van anammoX werden onderzocht. De resultaten toonden aan dat de optimale reactietemperatuur 30 °C was en de pH-waarde 7,8. De haalbaarheid van een anaërobe ammoX-reactor voor de behandeling van afvalwater met een hoog zoutgehalte en een hoge stikstofconcentratie werd onderzocht. De resultaten toonden aan dat een hoog zoutgehalte de anammoX-activiteit significant remde, en dat deze remming omkeerbaar was. De anaërobe ammox-activiteit van het niet-geacclimatiseerde slib was 67,5% lager dan die van het controleslib bij een zoutgehalte van 30 g.L⁻¹ (NaCl). De anammoX-activiteit van het geacclimatiseerde slib was 45,1% lager dan die van het controleslib. Toen het geacclimatiseerde slib werd overgebracht van een omgeving met een hoog zoutgehalte naar een omgeving met een laag zoutgehalte (zonder pekel), nam de anaërobe ammox-activiteit met 43,1% toe. De reactor kan echter minder goed functioneren als hij gedurende lange tijd in een omgeving met een hoge zoutconcentratie draait.

Vergeleken met het traditionele biologische proces is anaërobe ammoX een economischer biologische stikstofverwijderingstechnologie, zonder extra koolstofbron, met een lage zuurstofbehoefte, geen reagentia voor neutralisatie en minder slibproductie. De nadelen van anaërobe ammoX zijn de trage reactiesnelheid, het grote reactorvolume en de ongeschikte koolstofbron voor anaërobe ammoX. Dit heeft echter praktische betekenis voor het oplossen van problemen met ammoniakstikstof in afvalwater met een slechte biologische afbreekbaarheid.

4. Scheidings- en adsorptieproces voor stikstofverwijdering

① membraanscheidingsmethode

Membraanscheiding maakt gebruik van de selectieve permeabiliteit van een membraan om de componenten in een vloeistof selectief te scheiden, met als doel het verwijderen van ammoniakstikstof. Voorbeelden van membraanscheiding zijn omgekeerde osmose, nanofiltratie, deammoniakmembraanfiltratie en elektrodialyse. Factoren die van invloed zijn op membraanscheiding zijn onder andere de membraaneigenschappen, druk of spanning, pH-waarde, temperatuur en ammoniakstikstofconcentratie.

Op basis van de waterkwaliteit van het ammoniakstikstofhoudende afvalwater dat door een zeldzame-aardesmelterij wordt geloosd, werd een omgekeerde-osmose-experiment uitgevoerd met gesimuleerd afvalwater van NH4Cl en NaCl. Onder dezelfde omstandigheden bleek omgekeerde osmose een hogere verwijderingsgraad van NaCl te hebben, terwijl NH4Cl een hogere waterproductiesnelheid oplevert. De verwijderingsgraad van NH4Cl bedraagt ​​77,3% na omgekeerde osmosebehandeling, waardoor het geschikt is als voorbehandeling van ammoniakstikstofhoudend afvalwater. Omgekeerde osmose is energiezuinig en heeft een goede thermische stabiliteit, maar is minder bestand tegen chloor en vervuiling.

Een biochemisch nanofiltratiemembraanscheidingsproces werd gebruikt om het percolaat van de stortplaats te behandelen, waardoor 85% tot 90% van de permeabele vloeistof volgens de norm werd afgevoerd en slechts 0% tot 15% van de geconcentreerde rioolvloeistof en slib terugkeerde naar de afvaltank. Ozturki et al. behandelden het percolaat van de stortplaats Odayeri in Turkije met een nanofiltratiemembraan, waarbij het verwijderingspercentage van ammoniakstikstof ongeveer 72% bedroeg. Nanofiltratiemembranen vereisen een lagere druk dan omgekeerde osmosemembranen en zijn eenvoudig te bedienen.

Het ammoniakverwijderende membraansysteem wordt over het algemeen gebruikt voor de behandeling van afvalwater met een hoog ammoniakstikstofgehalte. Het ammoniakstikstofgehalte in het water heeft de volgende evenwichtsreactie: NH4- + OH- = NH3 + H2O. Tijdens de werking stroomt het ammoniakbevattende afvalwater door de behuizing van de membraanmodule en de zuurabsorberende vloeistof door de leidingen van de membraanmodule. Wanneer de pH van het afvalwater stijgt of de temperatuur toeneemt, verschuift het evenwicht naar rechts en wordt het ammoniumion NH4- omgezet in vrij gasvormig NH3. Op dat moment kan gasvormig NH3 vanuit de afvalwaterfase in de behuizing via de microporiën op het oppervlak van de holle vezels de zuurabsorberende vloeistof in de leidingen binnendringen, waar het wordt geabsorbeerd door de zure oplossing en onmiddellijk wordt omgezet in ionisch NH4-. Houd de pH van het afvalwater boven de 10 en de temperatuur boven de 35 °C (onder de 50 °C) zodat de NH4 in de afvalwaterfase continu migreert naar de absorptievloeistof. Als gevolg hiervan nam de concentratie ammoniakstikstof in het afvalwater continu af. De zure absorptievloeistof, die alleen zuur en NH4- bevat, vormt een zeer zuiver ammoniumzout en bereikt na continue circulatie een bepaalde concentratie, waardoor het kan worden hergebruikt. Enerzijds kan het gebruik van deze technologie de verwijderingsgraad van ammoniakstikstof in afvalwater aanzienlijk verbeteren, anderzijds kan het de totale operationele kosten van het afvalwaterzuiveringssysteem verlagen.

②elektrodialysemethode

Elektrodialyse is een methode om opgeloste stoffen uit waterige oplossingen te verwijderen door een spanning aan te leggen tussen twee membranen. Onder invloed van deze spanning worden de ammoniakionen en andere ionen in het ammoniakstikstofhoudende afvalwater door het membraan geconcentreerd in het ammoniakhoudende water, waardoor de stoffen worden verwijderd.

De elektrodialysemethode werd gebruikt voor de behandeling van anorganisch afvalwater met een hoge concentratie ammoniakstikstof en leverde goede resultaten op. Voor afvalwater met een ammoniakstikstofconcentratie van 2000-3000 mg/L kan de verwijderingsgraad van ammoniakstikstof meer dan 85% bedragen, en kan geconcentreerd ammoniakwater van 8,9% worden verkregen. De hoeveelheid elektriciteit die tijdens de elektrodialyse wordt verbruikt, is evenredig met de hoeveelheid ammoniakstikstof in het afvalwater. Elektrodialysebehandeling van afvalwater is niet beperkt door pH-waarde, temperatuur en druk, en is eenvoudig te bedienen.

De voordelen van membraanscheiding zijn een hoog rendement aan ammoniakstikstof, eenvoudige bediening, een stabiel zuiveringseffect en geen secundaire vervuiling. Bij de behandeling van afvalwater met een hoge ammoniakstikstofconcentratie zijn andere membranen, met uitzondering van het deammoniëermembraan, echter gevoelig voor aanslag en verstopping. Bovendien zijn frequente regeneratie en terugspoeling noodzakelijk, wat de behandelingskosten verhoogt. Daarom is deze methode meer geschikt voor voorbehandeling of afvalwater met een lage ammoniakstikstofconcentratie.

③ Ionenuitwisselingsmethode

Ionuitwisseling is een methode om ammoniakstikstof uit afvalwater te verwijderen door gebruik te maken van materialen met een sterke selectieve adsorptiecapaciteit voor ammoniakionen. De meest gebruikte adsorptiematerialen zijn actieve kool, zeoliet, montmorilloniet en ionenwisselingshars. Zeoliet is een soort siliciumaluminaat met een driedimensionale ruimtelijke structuur, een regelmatige poriënstructuur en holtes. Clinoptiloliet heeft een sterke selectieve adsorptiecapaciteit voor ammoniakionen en is bovendien goedkoop, waardoor het veelvuldig wordt gebruikt als adsorptiemateriaal voor ammoniakstikstofhoudend afvalwater in de techniek. Factoren die de zuiveringseffectiviteit van clinoptiloliet beïnvloeden, zijn onder andere de deeltjesgrootte, de ammoniakstikstofconcentratie in het influent, de contacttijd en de pH-waarde.

Het adsorptie-effect van zeoliet op ammoniakstikstof is duidelijk, gevolgd door ranite, terwijl het effect van aarde en ceramisiet gering is. De belangrijkste manier om ammoniakstikstof uit zeoliet te verwijderen is ionenuitwisseling, en het fysische adsorptie-effect is zeer klein. Het ionenuitwisselingseffect van ceramisiet, aarde en ranite is vergelijkbaar met het fysische adsorptie-effect. De adsorptiecapaciteit van de vier vulstoffen nam af met de temperatuurstijging in het bereik van 15-35 °C en nam toe met de pH-waarde in het bereik van 3-9. Het adsorptie-evenwicht werd bereikt na 6 uur schudden.

De haalbaarheid van het verwijderen van ammoniakstikstof uit stortplaatspercolaat door adsorptie met zeoliet werd onderzocht. De experimentele resultaten tonen aan dat elke gram zeoliet een beperkt adsorptiepotentieel heeft van 15,5 mg ammoniakstikstof. Bij een deeltjesgrootte van 30-16 mesh bereikt het verwijderingspercentage van ammoniakstikstof 78,5%. Bij dezelfde adsorptietijd, dosering en deeltjesgrootte van het zeoliet geldt dat hoe hoger de ammoniakstikstofconcentratie in het percolaat, hoe hoger het adsorptiepercentage. Dit suggereert dat zeoliet een haalbaar adsorptiemiddel is voor de verwijdering van ammoniakstikstof uit percolaat. Tegelijkertijd wordt opgemerkt dat het adsorptiepercentage van ammoniakstikstof door zeoliet laag is en dat het in de praktijk moeilijk is voor zeoliet om de verzadigingsadsorptiecapaciteit te bereiken.

Het effect van een biologisch zeolietbed op de verwijdering van stikstof, COD en andere verontreinigende stoffen in gesimuleerd rioolwater van een dorp werd onderzocht. De resultaten tonen aan dat de verwijderingsgraad van ammoniakstikstof door het biologische zeolietbed meer dan 95% bedraagt ​​en dat de verwijdering van nitraatstikstof sterk wordt beïnvloed door de hydraulische verblijftijd.

De ionenwisselingsmethode heeft als voordelen een lage investering, een eenvoudig proces, gemakkelijke bediening, ongevoeligheid voor vergiftiging en temperatuur, en hergebruik van zeoliet door regeneratie. Bij de behandeling van afvalwater met een hoge ammoniakstikstofconcentratie is regeneratie echter frequent, wat de werking bemoeilijkt. Daarom moet de methode worden gecombineerd met andere ammoniakstikstofbehandelingsmethoden, of worden toegepast bij afvalwater met een lage ammoniakstikstofconcentratie.

Groothandel in 4A-zeoliet, fabrikant en leverancier | EVERBRIGHT (cnchemist.com)