岳 忠
中核建中核燃料元件有限公司，四川省宜宾市 644000
摘要：本文在研究中以气扫式膜蒸馏工艺为核心，运用气扫式膜蒸馏工艺进行高氨氮废水处理，通过实验探究气扫式膜蒸馏工艺处理高氨氮废水的影响因素，发挥出气扫式膜蒸馏工艺的应用价值，提高高氨氮废水的处理效率，并为相关研究人员提供一定的借鉴和帮助。
关键词：气扫式膜蒸馏工艺；高氨氮废水；处理
在现代工业生产中会产生大量的高浓度氨氮废水，这种高氨氮废水直接排放会造成水体富营养化，进而导致水环境严重污染。考虑到高氨氮废水的生物毒性大，工业废水处理中必须选择物理化学方法处理废水，而膜蒸馏工艺从众多废水处理方法中脱颖而出，可以脱除水中挥发性物质，具体包括直接接触式膜蒸馏工艺（DCMD）、气扫式膜蒸馏工艺（SGMD）、真空膜蒸馏工艺（VMD）、气隙式膜蒸馏工艺（AGMD）等方式，本文则以气扫式膜蒸馏工艺为主进行高氨氮废水处理，探究处理中的影响因素，为工业上高氨氮废水处理提供参考依据。在这样的环境背景下，探究气扫式膜蒸馏工艺处理高氨氮废水的影响因素分析具有非常重要的现实意义。
1 气扫式膜蒸馏工艺的原理分析
气扫式膜蒸馏工艺以气相为主要渗透相，吹扫气体选用冷空气，使得水中的挥发性物质率先进入疏水膜孔后达到渗透相中，被冷空气吹扫后脱离于体系，保证膜两侧挥发性物质出现蒸汽压差，最终达到物质分离的效果。如图1所示，为气扫式膜蒸馏工艺的应用原理示意图。
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图1 气扫式膜蒸馏工艺的应用原理示意图
相比于其他处理方式而言，气扫式膜蒸馏工艺具有很大的优势，具体如下：
1.1 操作压力低
相比于其他反渗透工艺或是超滤工艺而言，气扫式膜蒸馏工艺的操作压力低，在实际操作中，原料液挥发性物质可以通过气体方式渗透到膜孔中，保证膜两侧传质动力以气态物质蒸汽压差为主，不影响水体中的静水压力关系，在反渗透工艺处理后，可以对无法浓缩的高浓度盐水进行处理。
1.2 机械强度低
气扫式膜蒸馏工艺的机械强度要求低，无须过高的机械性能。在实际操作中，膜两侧传质动力为气体物质蒸汽压差，对膜的机械强度没有过高的要求，工艺上可以按照实际要求控制膜厚度，促进传质过程的迅速完成。
1.3 分离效果好
在气扫式膜蒸馏工艺应用中，由于无液体混合情况，通过气扫式膜蒸馏工艺，可以对溶液中的离子、大分子、胶体进行分离和截留，这些非挥发性物质可以达到百分百截留效果，分离效率远远高于反渗透工艺。
1.4 热循环利用
相比于传统蒸馏工艺而言，气扫式膜蒸馏工艺应用中的所需热量较少，在传热过程中，具有热量循环利用的作用，将废热源进行多次利用，大大降低了应用成本，这是气扫式膜蒸馏工艺广泛应用在工业废水处理领域的根本原因。
2 气扫式膜蒸馏工艺处理高氨氮废水模拟实验
2.1 实验装置
如图1所示，为气扫式膜蒸馏工艺处理高氨氮废水实验装置示意图。实验中选择聚丙烯中空纤维膜作为疏水膜，其疏水膜面积达到10m2，膜丝长度1m，膜丝内径是1.0mm，膜丝外径是1.5mm，可以截留100ku质量的分子。试验中选择间歇运行方式，让料液从循环水泵中的液体流量计直接达到中空纤维膜系统中，吹扫气体会从空气压缩机通过气体流量计直接达到中空纤维膜系统壳程中，一般料液体积是20l，保证水箱内部刻度计要精准，直接测量料液体积，而吹扫气体达到膜系统后直接被废酸液吸收，实现膜两侧压力差的有效控制。
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图2 气扫式膜蒸馏工艺处理高氨氮废水实验装置示意图
（1为料液池；2为循环水泵；3为通气阀门；4为液体流量计；5为压力表；6为终孔纤维膜系统；7为空气压缩机；8为减压阀；9为气体流量计；10为吸收池）
2.2实验方法
在该实验中，选择氯化铵、自来水进行料液配制，将氨氮浓度控制在650mg·l-1左右，将室温控制在20℃，通过NaOH调节该料液PH值，将料液在实验装置中循环运行，把吹扫气体排放到酸液中，等待运行两个小时，每隔10分钟进行取样，对待测样品进行编号，测量样品中的氨氮浓度。取样后用0.1%盐酸溶液混合蒸馏水清洗剩余料液。
2.3 结论与分析
2.3.1 初始PH值影响因素
保证氨氮初始浓度、料液流量、吹扫气体流量等参数固定下，分别测量初始PH值在10、11、12等数值下，气扫式膜蒸馏工艺处理高氨氮废水中的氨氮去除率。从实验结果可以看到，随着初始PH值的提高，氨氮去除率也明显提高，在初始PH值达到12时，氨氮去除率达到最高值40%。实验装置运行中，尽管选择疏水膜，其料液侧的水依然会穿过膜，使得总过膜通量中包含氨氮通量和水蒸气通量，由于膜面积有限，气体氨氮与水蒸气处于过膜竞争关系，若PH值过低，有利于水蒸气过膜通量的提高；而PH值增加后，氨氮浓度增加，抑制水蒸气过膜通量，便于氨氮分离。
2.3.2 料液流量影响因素
保证氨氮初始浓度、初始PH值、吹扫气体流量等参数固定下，分别测量料液流量在400L·h-1、600L·h-1、800L·h-1、1000L·h-1下的氨氮去除率与总过膜通量。从实验结果可以看出，料液流量变化没有引起氨氮去除率的大幅度变化，而料液流量在800L·h-1时达到氨氮去除率最大值。从总过膜通量上看，在料液流量在400L·h-1、和600L·h-1的情况下，可以达到最大的总过膜通量，随着料液流量的提高，其总过膜通量会发生小幅度下降。发生这一现象的主要原因是中空纤维膜中的流速逐渐加快后，有效抑制膜表面浓差极化效应，促进氨氮传质，但是在疏水膜界面中，流速过大也会形成负压效应，将气相流动气体排放到液相中，影响料液挥发性物质的传质，使得料液达到1000L·h-1时，氨氮去除率和总过膜通量都会下降。
2.3.3吹扫气体流量影响因素
保证氨氮初始浓度、初始PH值、料液流量等参数固定下，分别测量吹扫气体流量在6.0m3·h-1、7.2m3·h-1、8.0m3·h-1下的氨氮去除率与总过膜通量。从实验结果可以看到，随着吹扫气体流量的增加，氨氮去除率也在逐渐增加，当吹扫气体流量达到8.0m3·h-1时，氨氮去除率可以到40%的最高值，而在吹扫气体流量为6.0m3·h-1时，氨氮去除率为最低值25%。由此可以看出，增加吹扫气体流量有利于氨氮去除和分离，这是主要是因为在吹扫气体流量增加后，膜表面吹扫气体流速也随之增加，快速带走氨氮，保证膜两侧气体浓度差，有利于氨氮传质。
结束语：
综上所述，在处理高氨氮废水中，气扫式膜蒸馏工艺具有操作压力低、机械强度低、分离效果好、热循环利用等优势，为了探究最佳工艺参数时，通过实验可以得到以下结论：
（1）初始PH值对气扫式膜蒸馏工艺高氨氮废水处理效率有很大的影响，初始PH值越大，氨氮去除率越高，当初始PH值为12是，达到最大氨氮去除率40%；
（2）料液流量对气扫式膜整理工艺高氨氮废水处理效率影响不大；
（3）吹扫气体流量对气扫式膜蒸馏工艺高氨氮废水处理效率有很大的影响，吹扫气体流量越大，氨氮去除率越高，当吹扫气体流量为8.0m3·h-1时，氨氮去除率可以到40%的最高值。
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