吹脱法去除氨氮的模型研究_孙华

液在高 pH（pH>12）的条件下推导的。
为了进一步明确该理想模型，本文做如下假设，
以便建立适合该设备氨吹脱的理想模型。
（1）气泡为球形，且气泡的传质面积等于其表面
积。对于较小直径（d0<3mm）的气泡，其气液界面的表 面张力相对较大，可以认为该假设是合理的。
（2）气泡在上升过程中不发生合并与破裂。基于
气速率下，不同的溶液高度可以影响单位体积溶液中 的传质面积，从而对 KL 产生影响。
固定曝气速率 Q=2.5m3/h，改变溶液的高度，研究 溶液高度与总传质系数的关系。结果如图 4。
随着溶液高度的增加，在相同的时间内，氨氮的 吹脱效率逐渐减小。当溶液高度为 0.2m 时，曝气 10h， 氨氮的去除效率为 94%，当溶液高度为 0.7m 时，曝气 10h，氨氮的去除效率仅为 64%。增加溶液高度，溶液 的体积随之增加，由氨氮吹脱模型可知，氨氮去除效 率和溶液体积成负相关，因此随着体积增大，氨氮的 去除效率也随之减小。
3.1 基本假设
基于气液传质的双膜理论，针对该曝气设备的结
构特点和运行条件，建立理想模型：在常温常压下，一
定容积的容器中盛有一定量的高氨氮溶液，由容器底
部通过曝气系统向溶液中通入空气，空气以小气泡的
形状上升。由于该模型为理想模型，故在气泡的生成、
运动过程中受力处处相同，气泡均匀，不会发生碰撞
而破裂。为了保证氨氮的吹脱效率，该模型是基于溶
主要药剂有：氯化铵（分析纯），氢氧化钙（分析 纯）。 2.2 分析方法
氨氮的测定采用氨离子选择电极法。
收稿日期：2008-06-16；修回 2008－09－10 作者简介：孙华（1983-），男，硕士研究生，研究方向为水污染控制，（电子信箱）shwelcome@；* 通讯作者，（电子信箱）zmshen@。
dCG
= kLαA
CGo
( CL-
CG m
)
Q
乙H dz
0
由于 CG0 =0，积分得
乙 乙 乙乙 CGf= mCL 1 - exp
- kLαAH Qm
（5）
将式（5）代入式（3）并对其积分，代入初值当 t=0
时，CL = CL0 ；当 t=t 时，CL = CL
乙 乙 乙 乙乙乙 CL dCL = - Qm
根据实验结果，通过最小二乘法拟合可得 KL 值， 结果如图 5。KL 随着高度的增加呈直线下降，通过曲 线拟合可得该直线为 KL=-1.229×10-4H+1.036×10-4， R2=0.9844。
4.2 溶液高度对总传质系数的影响 KL 的值同样还会受到溶液高度的影响，在同一曝
5 讨论
（1）本 文 根 据 传 统 的 气 液 传 质 理 论 以 及 物 料 衡 算，推导出了曝气吹脱氨氮的数学模型。通过该模型 便可计算出不同氨氮去除效率所需的曝气速率和曝 气时间。为吹脱实验和工程应用提供了一定的理论 依据。
高氨氮废水广泛存在于垃圾渗滤液以及家禽废 水中。由于所含氨氮浓度很高，往往造成处理上的困 难。有研究结果表明，垃圾渗滤液中高浓度的氨氮对 微生物活性有抑制作用，会降低生化系统对有机污染 物的降解效率，从而导致出水难于达标排放[1]，另外， 氨氮作为一种污染物，如仅靠生物处理进行硝化或反 硝化脱氮，必须外加碳源和改变碱度，造成处理费用 偏高[2－4]。吹脱法作为一种高效、经济的脱氮方法，在高 氨氮废水处理中得到了广泛的应用。
[参考文献]
[1] Hassen A，Belguith K，Jedidi N，et al. Microbial charac－ terization during compositing of municipal solid waste [J]. Bioresour Technol，2001，80：207-225.
水比，也即提高了单位体积的曝气速率（Q/V），因此也能
提高氨氮的去除效率。
4 实验结果及分析
８６
第 32 卷
4.1 曝气速率对总传质系数的影响 该模型中的参数 Q，V，m 和 t 都可通过计算或查
表所得，因此该公式中只有一个未知参数 KL，它是气 液传质系数 kL 和单位体积液体中气泡表面积 α 的乘 积。不同的曝气速率将会影响 α 的值，从而影响 KL。
kL 为气液传质系数 （m/s），α 为单位体积液体中气泡 的表面积（m2/m3），C*L 为与液体中气泡成气液平横时 的液体浓度（mg/L）。
根据亨利公式：
C
G
=
m
C
* L
m 为相平衡常数。
对式（4）两边进行积分，并取初值当 z=0 时，CG =
CG0 ，当 z=H 时，CG= CGf 。
乙CGf
该假设，传质只在气泡与水体之间发生。
（3）上升的气泡群具有统一的直径 D 和上升速度
U。在实际情况下，气泡群中气泡的直径和上升速度都
会有一定的分布范围。
（4）气泡在液体中均匀分布。
3.2 模型的推导
对该曝气系统整体做物料衡算，可得：
VL
dCL dt
= QCG0 - QCGf
（2）
其中 VL 为液体体积（m3），CL 为液体中 NH3 的浓 度（mg/L），t 为曝气时间（s），Q 为曝气速率（m3/h），
（2）该模型可以很好的解释氨氮废水的吹脱现象， 氨氮的吹脱效率受单位体积曝气速率，相平衡常数和 曝气时间的影响。
第8期
孙华，等 吹脱法去除氨氮的模型研究
８７
（3）研究了总传质系数与曝气速率和溶液高度的 关系，总传质系数与曝气速率和溶液高度都符合直线 关系。在实验的曝气速率下，总传质系数和曝气速率 符合直线上升关系。但将曝气速率再增加，两者是否 还符合此关系，这仍需要做进一步的研究。
关键词：吹脱； 氨氮； 模型 中图分类号：X703.1 文献标志码：A 文章编号：1003-6504(2009)08-0084-04
Model of Air Stripping of Ammonia Nitrogen
SUN Hua， SHEN Zhe-min*
（School of Environment Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）
该模型可以很好的解释高氨氮废水的吹脱现象。王
文斌等[5]研究发现每提高温度 5℃，氨氮吹脱效率就提高
10%~15%。这主要是因为相平衡常数 m 跟温度有关，温
度越高，m 越大，吹脱效率也就越大。李伦等[10]通过对高
氨氮污水吹脱实验的研究发现，提高气水比同样也可以
提高氨氮的吹脱效率。从模型公式上看，提高吹脱的气
[ NH3] =
[ NH3+ NH4+] 1+ [H+]
=
[ NH3+ NH4+] 1 + 10 pK a - pH
Ka
（1）
Ka 为电离常数。
2 实验研究
2.1 实验设备及药剂 主 要 实 验 设 备 有 ：ACO -018 电 磁 式 空 气 泵 ，
LZB-10 玻璃转子流量计，pHS-3TC 精密数显酸度 计，PVC 管（直径 15cm），氨离子选择电极，曝气头。
目前对于吹脱法处理高氨氮废水的研究比较多： 如王文斌等用吹脱法对去除垃圾渗滤液中的氨氮进行 了研究[5]；August Bonmati 等用空气吹脱法对去除养猪 场中废水氨氮进行了研究[6]。孙英杰等用氨吹脱法处理 尿素厂的高氨氮废水[7]。但这些报道大都只仅限在研 究不同的吹脱条件对吹脱效率的影响，具体这些吹 脱条件是如何影响吹脱结果，是否有一个模型能反 应出这些吹脱条件跟吹脱效率之间的关系，目前还 没有这样的报道。本文对高氨氮溶液曝气吹脱系统 运行情况进行了研究，对小气泡曝气条件下氨的传 质情况作了一系列的假定和简化，推导出了曝气吹 脱氨氮的理论模型并对该模型中总传质系数 KL 进行 了一定的研究。
C CL0
L
V
1 - exp
- kLαAH Qm
t
dt
0
积分得：
乙 乙 乙 乙乙 乙 CL=CL0exp
- Qm V
1 - exp
kLαAH Qm
t
由于 α 比较难测，故将 kLα 合并为一个系数 K（L s-）1 ， 称为总传质系数，且 AH = V ，该式边变为：
乙 乙 乙 乙乙 乙 CL=CL0exp
第 32 卷 第 8 期 2009 年 8 月
Environmental Science & Technology
VoAl.u3g2第. 32N20o0卷.98
吹脱法去除氨氮的模型研究
孙华， 申哲民 *
（上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240）
摘 要：文章对高氨氮溶液曝气吹脱系统运行情况进行了研究，对小气泡曝气条件下氨的传质情况作了一系列的假定和简化，推导出 了曝气吹脱氨氮的理论模型，并对该模型进行了分析。通过进一步的实验，分析了不同曝气条件及溶液高度对总传质系数 KL 的影响。
第8期
孙华，等 吹脱法去除氨氮的模型研究
８５
2.3 实验方法 在室温条件下，在 PVC 管中放入一定浓度的
NH4CL 溶液，在搅拌条件下加入 Ca（OH）2 提高 pH 值，直至 Ca（OH）2 过饱和，在 PVC 管底部鼓入空气， 每隔一定时间测定该溶液的氨氮浓度。曝气吹脱示意 图 1。
3 理想模型的建立与分析
固定溶液高度 H=0.2m，用不同的曝气速率吹脱 氨氮，结果如图 2。在曝气初期曲线斜率较大，氨氮的 去除效率很快，随着时间的推移，曲线渐趋平缓，吹 脱效率上升不明显。不同的曝气强度对氨氮的去除 效率有很大的影响，当曝气速率为 5m3/h 时，曝气 5h，氨氮的去除效率可达到 95%；当曝气速率减小到 1m3/h 时，曝气 5h，氨氮的去除效率仅为 42%。从推导 的模型上分析，曝气速率跟吹脱效率成正相关，曝气 速率越大，在其它条件相同的情况下，所得的吹脱效 率也越大。