微波辐照处理高浓度氨氮废水的研究进展

近年来，我国水体氨氮污染问题日益突出，氨氮已超过COD成为影响我国地表水水环境质量的首要指标。2011年全国排放废水中氨氮排放量为260.4万t〔1〕，相当于受纳水体环境容量的4倍左右。随着《“十二五”主要污染物总量控制规划》的出台，氨氮污染物作为继COD之后的第二项约束性控制指标，是我国“十二五”期间污染物控制的重点。我国钢铁、炼油、化肥、石油化工、化学冶金等行业的氨氮排放量占全国工业氨氮排放总量的85.9%，氨氮去除率不到68%〔2〕。为了彻底治理污染，除改善现有工艺条件、降低成本外，必须寻找经济有效的氨氮废水处理技术，在污染治理的同时节能降耗、避免二次污染。而微波技术作为一种新兴的加热技术日益受到关注，并已成功应用于废水、废气、固体废弃物处理等污染控制领域。笔者比较了氨氮的主要处理方法，总结了微波技术在高浓度氨氮废水处理中的研究应用，讨论了进一步的研究方向。

1 氨氮的主要处理方法

根据浓度的不同，工业氨氮废水可划分为3 类〔3〕：(1)高浓度氨氮废水：NH3-N>500 mg/L;(2)中等浓度氨氮废水：NH3-N为50~500 mg/L;(3)低浓 度氨氮废水：NH3-N<50 mg/L。其中高氨氮浓度废水一般来源于焦炭、铁合金、煤的气化、湿法冶金、炼油、畜牧业、化肥、人造纤维和白炽灯等生产过程。

目前，常用的脱氮方法包括氨吹脱法(空气吹脱与蒸汽汽提)、生化法、折点氯化法、离子交换法和化学沉淀法。这些方法普遍具有工艺简单、脱氮效果稳定可靠等特点，但也存在一定的局限性。

传统生物脱氮技术是目前应用最广泛的脱氮方法，但存在流程长、占地面积大、处理成本高等问题。随着人们对生物脱氮过程认识的深入，新的生物脱氮理论不断涌现，包括同时硝化/反硝化〔4〕、亚硝酸型(短程)硝化/反硝化〔5〕、厌氧氨氧化〔6〕等，但目前这些理论应用于高浓度氨氮废水处理的研究还很少〔7〕。氨吹脱法常用于高浓度氨氮废水的预处理，但能耗大、运行成本高、出水氨氮仍偏高〔8〕。折点氯化法理论上可以完全去除废水中的氨氮，但由于加氯量大、处理成本高、产物存在危害性等问题，不适合处理大量的高浓度氨氮废水。离子交换法由于吸附剂用量大、再生难，一般协同其他工艺处理高氨氮废水。化学沉淀法用药量大、成本高，需要进一步开发廉价沉淀剂。

近年来随着国家对氨氮排放要求越来越严格，高浓度氨氮废水处理日益受到研究者重视。在原有处理方法基础上的改进工艺不断涌现。赵贤广等〔9〕针对工业上高浓度氨氮废水吹脱法处理存在的缺点，通过改进和优化氨氮吹脱塔的结构和填料，开发了一种新型循环再生复合酸氨吸收溶液，实现废水中氨的资源化。中国科学院过程工程所、天津大学等单位合作开发出高浓度氨氮废水资源化处理的全过程工艺和工业化应用装置〔10〕。该技术通过精馏脱氨工艺量化设计，实现了工业高浓度氨氮废水的资源化处理。此外，还有电化学法、催化湿式氧化法、反渗透法以及物化法与生化法联用等技术，但由于处理成本高，多数用于高氨氮废水的深度处理。

2 微波加热的原理

微波是指频率约在300 MHz~300 GHz，即波长为1 mm~1 m的超高频电磁波。微波能被一些材料如水、碳、橡胶、食品、木材、湿纸等吸收，产生非常有效的即时深层加热作用(内加热)〔11〕。微波加热技术与传统加热技术的不同之处在于使物体内部分子相互摩擦发热，但不引起分子结构改变，是直接加热物质内部的方法〔12〕。这种内加热的原理是样品接受微波辐照时，在电磁场的作用下主要发生离子传导和偶极子转动。一般情况下，两种发热方式(离子传导和偶极子转动)同时存在〔13〕。微波的内加热作用可在不同的深度同时加热，使加热更快速、更均匀、无温度梯度、无滞后效应等，从而大大缩短了加热时间。剧烈的极性分子震荡可使化学键断裂，从而导致污染物的降解。对于氨氮废水而言，微波对NH3分子与H2O分子的选择性加热使它们之间产生压力差，进一步促进NH3分子与H2O分子脱离。

近年来，研究者用微波加快化学反应时发现了许多有别于传统加热的特殊效应〔14〕。在这些特殊效应中，有些特殊效应不能用温度的变化解释。这些难以用温度变化和特殊温度分布来解释的现象即“非热效应”〔15〕，并逐渐成为人们争论的焦点。

3 微波技术处理高浓度氨氮废水研究进展

3.1 微波直接辐射技术

不少文献报道了微波脱氮的显著效果。针对高浓度氨氮废水，Li Lin等〔16〕和陈灿等〔17〕分别开展了一系列研究，实验结论基本一致。研究表明，微波作用对高浓度氨氮废水有较好的去除效果;pH和微波作用时间是影响氨氮去除率的关键因素，曝气作用的影响效果次之，初始氨氮浓度的影响则不明显。在上述实验室研究的基础上，Li Lin等〔18〕开发了一套中试规模的连续微波处理工艺，处理初始质量浓度为2 400~11 000 mg/L的武钢焦化废水，氨氮去除率达到80%左右，与空气吹脱法比较经济成本较低。吕早生等〔19〕将微波加热法用于脱除炼焦剩余氨水中的氨氮，实验结果同样表明强碱性是最佳工艺条件。此外有研究发现，随着温度的升高氨氮去除率逐渐升高，但失水率也随之升高，温度达到80 ℃以上失水率明显升高〔20〕。这一研究结论对于微波处理实际焦化废水(出水温度已近80 ℃)具有重要的指导意义。