廢水中鎳與氨協(xié)同去除工藝的深度剖析與基礎探究一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)的快速發(fā)展，含鎳和氨的廢水排放量日益增加，對環(huán)境和人類健康構成了嚴重威脅。含鎳廢水主要來源于電鍍、采礦、冶金、化工等行業(yè)，其中電鍍行業(yè)是含鎳廢水的主要排放源之一。在電鍍過程中，鍍鎳工藝廣泛應用于提高金屬制品的耐腐蝕性和裝飾性，然而，這一過程會產生大量含鎳廢水。例如，在鍍鎳生產過程中，鍍槽廢液和鍍件漂洗水是含鎳廢水的主要來源，廢鍍液量雖少，但鎳離子濃度極高；鍍件漂洗水水量大，鎳離子濃度相對較低，但總體排放量不容忽視。鎳是一種具有潛在危害的重金屬，人體通過食物鏈攝入過量的鎳時，會引發(fā)炎癥、神經衰弱、系統(tǒng)紊亂、致畸致突變等健康問題，對人體健康造成嚴重危害。同時，鎳也是一種較昂貴的金屬資源，若含鎳廢水未經有效處理直接排放，不僅會造成環(huán)境污染，還會導致資源的浪費。含氨廢水同樣來源廣泛，化工、制藥、食品加工、化肥制造等工業(yè)行業(yè)在生產過程中會產生高濃度的氨氮廢水；農業(yè)施肥、畜禽養(yǎng)殖等活動中，化肥和動物糞便分解也會產生氨氮廢水；生活污水中同樣含有氨氮，尤其是廁所和廚房廢水；污水處理廠在厭氧消化過程中也會產生氨氮。氨氮廢水對水體生態(tài)系統(tǒng)具有負面影響，能導致水體富營養(yǎng)化，使水中藻類過度繁殖，消耗水中溶解氧，從而影響水生生物的生存，破壞水體生態(tài)平衡。此外，當氨氮以游離氨的形式存在時，還會對水生生物產生直接的毒性作用。在廢水排放標準日益嚴格的背景下，對含鎳和氨廢水的處理提出了更高的要求。例如，《電鍍污染物排放標準》(GB21900—2008)表2中，允許排入水體的電鍍廢水中總鎳質量濃度最高為0.5mg/L，部分地區(qū)甚至要求達到更嚴格的標準，如廣東省珠三角地區(qū)要求氨氮和鎳的排放濃度分別提標至8mg/L和0.1mg/L。因此，開發(fā)高效、經濟、環(huán)保的含鎳和氨廢水處理工藝具有重要的現(xiàn)實意義。一方面，有效去除廢水中的鎳和氨，能夠降低其對環(huán)境的污染，保護生態(tài)環(huán)境和人類健康；另一方面，回收廢水中的鎳資源，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，具有顯著的經濟和環(huán)境效益。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1含鎳廢水處理研究進展含鎳廢水處理技術研究已取得諸多成果，處理方法主要分為化學法、物理化學法和生物處理法。化學法中，化學沉淀法是最常用的處理方法之一。該方法利用化學藥劑與鎳離子發(fā)生反應，生成難溶性沉淀，從而實現(xiàn)鎳離子的去除。氫氧化物沉淀法是向含鎳廢水中加入氫氧化鈉等堿性物質，使鎳離子形成氫氧化鎳沉淀。研究表明，當pH值控制在一定范圍內時，鎳離子的去除率較高。然而，該方法存在沉淀量大、易造成二次污染等問題。硫化物沉淀法利用硫化物與鎳離子反應生成硫化鎳沉淀，其溶度積比氫氧化物更小，理論上能更有效地去除鎳離子，但處理成本較高，且控制不當會產生硫化氫氣體，對環(huán)境造成危害。鐵氧體法是一種較為新型的化學沉淀工藝。該方法利用FeSO?使各種重金屬離子形成鐵氧體晶體而沉淀析出，廢水中的Ni2?可占據(jù)Fe2?的晶格形成共沉淀而去除。常軍霞等通過實驗研究了鐵氧體法處理含鎳廢水的工藝條件，結果表明，在pH=9.0，n(Fe2?)∶n(Ni2?)=2∶1，溫度為70℃的條件下，鎳的轉化率可達99.0%以上，廢水中的Ni2?可從100mg/L降至0.47mg/L。鐵氧體法處理含鎳電鍍廢水具有處理設備簡單、投資較少、沉渣可回收利用等優(yōu)點，目前正朝著與其他水處理工藝相結合的方向發(fā)展。高分子螯合沉淀法是在傳統(tǒng)化學沉淀工藝中加入重金屬螯合劑，以改善處理效果。劉存海等實驗合成了一種重金屬離子螯合劑HMCA，將其應用于鍍鎳廢水處理，在pH為6.5-7.5時，Ni2?的去除率可達98.5%以上。該螯合劑對Ni2?具有很好的捕集能力，且與Ni2?作用形成的螯合產物結構致密穩(wěn)定。物理化學法中，吸附技術利用吸附劑的獨特結構去除重金屬離子?；钚蕴?、沸石、膨潤土等是常見的吸附劑，它們具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，能夠通過物理吸附或化學吸附作用去除廢水中的鎳離子。然而，吸附劑的吸附容量有限，且吸附后的再生問題有待進一步解決。離子交換技術是利用離子交換樹脂與廢水中的鎳離子進行交換反應，從而達到去除鎳離子的目的。離子交換樹脂對鎳離子具有較高的選擇性和交換容量，但樹脂易被氧化和污染，使用壽命較短，且再生過程較為復雜，成本較高。膜分離技術如反滲透、納濾等，利用半透膜的選擇透過性，將廢水中的鎳離子和其他污染物進行分離。膜分離技術具有高效、節(jié)能、無相變等優(yōu)點，但運行和維護費用高，膜易污染和堵塞，需要定期更換膜組件，增加了處理成本。生物處理法利用微生物的代謝作用或生物吸附特性去除廢水中的鎳離子。生物吸附法是利用微生物細胞表面的某些基團對鎳離子的吸附作用，將鎳離子從廢水中去除。微生物代謝法是通過微生物的代謝活動，將鎳離子轉化為無害的物質或沉淀。生物處理法具有處理成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，但處理效率相對較低，對廢水的水質和處理條件要求較高。1.2.2含氨廢水處理研究進展含氨廢水的處理方法主要包括物理法、化學法和生物法。物理法中，空氣吹脫法是利用氨氮的氣液平衡原理，將廢水的pH值調節(jié)至堿性，使氨氮以游離氨的形式存在，然后通過曝氣將游離氨吹脫到大氣中。該方法操作簡單，處理效率較高，但會造成二次污染，且能耗較大?；瘜W法中，化學沉淀法是向含氨廢水中投加鎂鹽、磷酸鹽等化學藥劑，使氨氮與藥劑反應生成不溶于水的磷酸銨鎂沉淀，從而實現(xiàn)氨氮的去除。該方法適用于高濃度氨氮廢水的處理，但沉淀劑的投加量較大，處理成本較高，且產生的沉淀需要進一步處理。折點氯化法是通過向廢水中投加過量的氯氣或次氯酸鈉，使氨氮被氧化為氮氣而去除。該方法處理效率高，反應速度快，但會產生大量的含氯副產物，對環(huán)境造成危害，且運行成本較高。生物法是利用微生物的硝化和反硝化作用將氨氮轉化為氮氣。常見的生物處理工藝有A/O（缺氧/好氧）、A2/O（厭氧/缺氧/好氧）等。在硝化過程中，氨氮在好氧條件下被硝化細菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽；在反硝化過程中，亞硝酸鹽和硝酸鹽在缺氧條件下被反硝化細菌還原為氮氣。生物法具有處理成本低、無二次污染等優(yōu)點，但對廢水的水質和處理條件要求較高，處理周期較長，且易受到沖擊負荷的影響。近年來，一些新型的含氨廢水處理技術也得到了研究和開發(fā)，如電化學氧化法、光催化氧化法等。電化學氧化法利用電極表面的氧化還原反應將氨氮氧化為氮氣或其他無害物質，具有反應速度快、處理效率高、占地面積小等優(yōu)點，但能耗較大，電極材料易損耗。光催化氧化法利用光催化劑在光照條件下產生的活性自由基氧化氨氮，具有反應條件溫和、無二次污染等優(yōu)點，但光催化劑的活性和穩(wěn)定性有待提高，且光催化反應裝置的成本較高。1.2.3研究現(xiàn)狀分析目前，含鎳和含氨廢水處理技術在各自領域都取得了一定的進展，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。對于含鎳廢水處理，傳統(tǒng)化學沉淀法雖然技術成熟、成本較低，但存在沉淀量大、易造成二次污染等問題，且對于低濃度含鎳廢水的處理效果不佳。物理化學法和生物處理法雖然具有各自的優(yōu)勢，但也存在一些局限性，如吸附劑的吸附容量有限、離子交換樹脂易污染、膜分離技術成本高、生物處理法處理效率低等。此外，含鎳廢水中常含有其他重金屬離子和有機物，使得處理難度加大，需要開發(fā)更加高效、環(huán)保、經濟的綜合處理技術。對于含氨廢水處理，傳統(tǒng)的物理法和化學法存在二次污染、能耗大、處理成本高等問題，生物法雖然較為環(huán)保，但處理周期長、易受沖擊負荷影響。新型處理技術如電化學氧化法和光催化氧化法仍處于研究階段，存在技術不成熟、成本高等問題，尚未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應用。同時，不同行業(yè)產生的含氨廢水水質差異較大，需要根據(jù)廢水的具體特點選擇合適的處理方法，開發(fā)針對性的處理工藝。在同時處理含鎳和含氨廢水方面，相關研究相對較少。由于鎳和氨在廢水中的存在形態(tài)和性質不同，傳統(tǒng)的單一處理方法難以同時達到理想的去除效果。目前，一些研究嘗試將多種處理方法組合使用，但在工藝優(yōu)化、成本控制和協(xié)同作用機制等方面仍有待進一步研究。因此，開發(fā)高效、經濟、環(huán)保的同時去除廢水中鎳和氨的工藝，深入研究其基礎理論和作用機制，具有重要的理論意義和實際應用價值。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容含鎳和含氨廢水處理工藝對比研究：全面調研并對比現(xiàn)有的含鎳廢水處理工藝，如化學沉淀法（氫氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體法、高分子螯合沉淀法）、物理化學法（吸附法、離子交換法、膜分離法）和生物處理法，以及含氨廢水處理工藝，包括物理法（空氣吹脫法）、化學法（化學沉淀法、折點氯化法）和生物法（A/O、A2/O等）。分析各工藝在去除鎳和氨方面的原理、優(yōu)勢、局限性以及適用條件，從處理效率、成本、二次污染等多個角度進行綜合評估，為后續(xù)研究提供理論基礎。同時去除鎳和氨的工藝基礎研究：針對含鎳和氨的混合廢水，探索開發(fā)新型的處理工藝或對現(xiàn)有工藝進行優(yōu)化組合。研究不同工藝參數(shù)（如反應溫度、pH值、反應時間、藥劑投加量等）對鎳和氨去除效果的影響，通過實驗和理論分析，揭示鎳和氨在處理過程中的相互作用機制和反應動力學規(guī)律。例如，在化學沉淀法中，研究不同沉淀劑對鎳和氨的沉淀效果，以及沉淀過程中鎳和氨的共沉淀現(xiàn)象；在生物處理法中，研究微生物對鎳和氨的協(xié)同代謝機制，為工藝的優(yōu)化和控制提供科學依據(jù)。影響鎳和氨去除效果的因素分析：深入分析影響鎳和氨去除效果的多種因素，包括廢水的初始濃度、水質成分（如其他重金屬離子、有機物、酸堿度等）、處理過程中的操作條件（如攪拌速度、曝氣強度等）以及處理設備的性能等。通過單因素實驗和正交實驗等方法，確定各因素對鎳和氨去除效果的影響程度，找出關鍵影響因素，為實際工程應用中工藝參數(shù)的優(yōu)化和控制提供指導。實際應用案例研究：選取具有代表性的工業(yè)企業(yè)或污水處理廠的含鎳和氨廢水處理工程案例，對其實際運行情況進行調研和分析。收集處理前后的水質數(shù)據(jù)，評估現(xiàn)有處理工藝的實際處理效果，分析實際運行中存在的問題及原因。結合實驗室研究結果，提出針對性的改進措施和優(yōu)化方案，為實際工程的運行管理和技術升級提供參考。1.3.2研究方法實驗研究法：搭建實驗裝置，模擬實際含鎳和氨廢水處理過程。通過控制變量法，分別研究不同處理工藝、工藝參數(shù)以及影響因素對鎳和氨去除效果的影響。采用原子吸收光譜儀、分光光度計等儀器對處理前后廢水中鎳和氨的濃度進行準確測定，獲取實驗數(shù)據(jù)。例如，在研究化學沉淀法處理含鎳和氨廢水時，通過改變沉淀劑的種類、投加量和反應pH值等條件，測定不同條件下鎳和氨的去除率，從而確定最佳的反應條件。理論分析法：運用化學熱力學、化學動力學、微生物學等相關理論知識，對實驗結果進行分析和解釋。建立鎳和氨在處理過程中的反應模型，推導反應動力學方程，深入研究鎳和氨的去除機制和相互作用關系。例如，利用化學熱力學原理分析不同沉淀劑與鎳和氨反應的可能性和平衡常數(shù)，利用化學動力學原理研究反應速率與溫度、濃度等因素的關系，從而為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。案例研究法：實地考察工業(yè)企業(yè)或污水處理廠的含鎳和氨廢水處理設施，與相關技術人員進行交流，收集實際運行數(shù)據(jù)和資料。對案例進行詳細分析，總結成功經驗和存在的問題，結合實驗室研究和理論分析結果，提出針對性的改進建議和解決方案。例如，通過對某電鍍廠含鎳和氨廢水處理案例的研究，分析其現(xiàn)有處理工藝在實際運行中存在的處理效率低、成本高等問題，提出優(yōu)化工藝參數(shù)、改進處理設備等改進措施。二、廢水中鎳和氨的來源、危害及排放標準2.1來源分析在電鍍行業(yè)中，鍍鎳工藝是含鎳廢水的主要產生環(huán)節(jié)。以裝飾性鍍鎳為例，在鍍鎳過程中，鍍槽內的鍍液隨著使用時間的增加，其成分會發(fā)生變化，當鍍液老化或不符合生產要求時，就需要進行更換，從而產生高濃度含鎳廢鍍液；同時，鍍件在鍍鎳后需要進行漂洗，以去除表面殘留的鍍液，這一過程會產生大量的含鎳漂洗水。據(jù)統(tǒng)計，電鍍行業(yè)每生產1噸鍍鎳產品，大約會產生5-10噸含鎳廢水，其中鎳離子濃度可高達幾百毫克每升。化工行業(yè)中，鎳及其化合物常作為催化劑、原料或中間體參與化學反應。例如，在有機合成反應中，雷尼鎳催化劑被廣泛應用于加氫反應，反應結束后，催化劑的分離和清洗過程會產生含鎳廢水；在鎳鹽生產過程中，原料的溶解、反應、結晶等工序也會產生含鎳廢水，這類廢水除了含有鎳離子外，還可能含有其他金屬離子和有機物，成分較為復雜。電子行業(yè)中，半導體制造、印刷電路板（PCB）生產等環(huán)節(jié)都會產生含鎳廢水。在半導體制造的金屬化工藝中，鎳常用于形成金屬互連線或作為阻擋層，以防止其他金屬擴散，在蝕刻和清洗過程中，使用的化學品可能含有鎳，從而產生含鎳廢水；PCB生產中的鍍鎳工序同樣會產生大量含鎳廢水，且廢水中的鎳離子濃度較高，同時還可能含有銅、鉛等其他重金屬離子以及有機污染物。含氨廢水的來源同樣廣泛。在化工行業(yè)中，氮肥生產、煉焦、煤氣制造等過程都會產生高濃度的氨氮廢水。以氮肥生產為例，合成氨是氮肥生產的重要原料，在合成氨的過程中，會有部分未反應的氨隨工藝廢水排出，形成含氨廢水，其氨氮濃度可高達數(shù)千毫克每升。食品加工行業(yè)中，肉類加工、乳制品生產、釀酒等過程會產生含氨廢水。在肉類加工過程中，動物血液、內臟等廢棄物的處理以及生產設備的清洗會產生含氨廢水，其中含有大量的蛋白質、油脂和氨氮；乳制品生產中，牛奶的加工、設備清洗以及奶制品的發(fā)酵過程也會產生氨氮廢水，這類廢水的氨氮濃度相對較低，但有機物含量較高。生活污水也是含氨廢水的重要來源之一。人類排泄物、廚房廢水、洗衣廢水等生活污水中都含有一定量的氨氮，主要來源于人體代謝產物、含氮洗滌劑以及食物殘渣等。隨著城市人口的增加和生活水平的提高，生活污水中氨氮的排放量也在不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，城市生活污水中的氨氮含量一般在20-80mg/L之間。2.2危害闡述鎳作為一種重金屬，對環(huán)境和人體健康都有著顯著的危害。在環(huán)境方面，含鎳廢水若未經有效處理直接排入水體，鎳離子會在水體中不斷積累，對水生生物的生存和繁衍造成嚴重威脅。研究表明，鎳對魚類的毒性較大，低濃度的鎳離子就可能影響魚類的呼吸、生長和繁殖，高濃度時甚至會導致魚類死亡。鎳離子還會對水生植物的光合作用和生長發(fā)育產生抑制作用，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡。當含鎳廢水進入土壤后，會改變土壤的理化性質，影響土壤微生物的活性和群落結構，進而影響土壤中養(yǎng)分的循環(huán)和轉化，降低土壤的肥力，阻礙植物的生長，導致農作物減產。從人體健康角度來看，鎳具有致敏性，長期接觸含鎳物質，如佩戴含鎳的首飾，可能會引發(fā)皮膚過敏反應，出現(xiàn)紅斑、丘疹、瘙癢等癥狀，嚴重影響生活質量。若通過食物鏈攝入過量的鎳，會對人體的多個系統(tǒng)造成損害。鎳會干擾人體的內分泌系統(tǒng)，影響激素的正常分泌和調節(jié)；損害神經系統(tǒng)，導致神經衰弱、記憶力減退、失眠等癥狀；對呼吸系統(tǒng)也有不良影響，長期吸入含鎳的粉塵或氣溶膠，可能會引發(fā)呼吸道炎癥、肺癌等疾病。孕婦接觸過量鎳還可能導致胎兒畸形、發(fā)育遲緩等問題，對下一代的健康產生潛在威脅。氨對環(huán)境和人體健康同樣存在危害。在環(huán)境中，氨氮廢水是水體富營養(yǎng)化的重要污染源之一。當大量含氨氮的廢水排入水體后，會為水中的藻類等浮游生物提供豐富的營養(yǎng)物質，導致藻類過度繁殖，形成水華現(xiàn)象。藻類的大量繁殖會消耗水中的溶解氧，使水體缺氧，造成魚類等水生生物因缺氧而死亡，破壞水體的生態(tài)平衡。氨氮還會與水中的氯氣反應，消耗消毒劑的有效成分，影響飲用水的消毒效果，增加飲用水中有害微生物的含量，對人體健康構成潛在風險。對人體健康而言，氨具有刺激性氣味，當空氣中氨的濃度較高時，會刺激人體的呼吸道和眼睛，引起咳嗽、流淚、呼吸困難等癥狀，長期接觸還可能導致呼吸道疾病的發(fā)生。氨氮在水體中會被微生物氧化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽具有毒性，進入人體后會與血紅蛋白結合，形成高鐵血紅蛋白，使血紅蛋白失去攜氧能力，導致人體缺氧中毒。亞硝酸鹽還可能在人體內轉化為亞硝胺，亞硝胺是一種強致癌物質，長期攝入含有亞硝胺的水或食物，會增加患癌癥的風險。2.3排放標準解讀國內外針對廢水中鎳和氨的排放標準都做出了明確規(guī)定，這些標準是保障環(huán)境安全和人體健康的重要依據(jù)，達標排放對于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有至關重要的意義。在國內，對于鎳的排放，《電鍍污染物排放標準》(GB21900—2008)規(guī)定，新建企業(yè)水污染物排放濃度限值中，總鎳的排放濃度不得超過0.5mg/L，特別排放限值為0.1mg/L。該標準適用于電鍍企業(yè)和擁有電鍍設施的企業(yè)，對于電鍍行業(yè)的含鎳廢水排放起到了嚴格的約束作用?！躲~、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標準》(GB25467—2010)規(guī)定了銅、鎳、鈷工業(yè)企業(yè)生產過程中水污染物和大氣污染物排放限值、監(jiān)測和監(jiān)控要求，其中對于鎳的排放也有相應的標準，其目的是為了防治環(huán)境污染，促進相關行業(yè)生產工藝和污染治理技術的進步。在氨氮排放方面，《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)對氨氮的排放做出了分級規(guī)定，不同行業(yè)、不同水域執(zhí)行不同的標準。例如，排入GB3838中Ⅲ類水域（劃定的保護區(qū)和游泳區(qū)除外）和排入GB3097中二類海域的污水，執(zhí)行一級標準，氨氮最高允許排放濃度為15mg/L；排入GB3838中Ⅳ、Ⅴ類水域和排入GB3097中三類海域的污水，執(zhí)行二級標準，氨氮最高允許排放濃度為25mg/L?！冻擎?zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)規(guī)定了城鎮(zhèn)污水處理廠出水、廢氣排放和污泥處置（控制）的污染物限值，其中一級A標準中氨氮（以N計）的排放限值為5（8）mg/L，括號內數(shù)值為水溫≤12℃時的控制指標，一級B標準中氨氮排放限值為8（15）mg/L，二級標準中氨氮排放限值為25（30）mg/L。這些標準根據(jù)污水處理廠的規(guī)模、出水去向等因素，對氨氮排放進行了嚴格的管控，以減少氨氮對水體的污染。國外對于鎳和氨的排放標準也各有特點。歐盟在《水框架指令》(WFD)的指導下，各成員國制定了相應的廢水排放標準。對于鎳的排放，一些國家設定了嚴格的限值，如德國規(guī)定工業(yè)廢水中鎳的排放濃度不得超過0.05mg/L，旨在保護水體生態(tài)環(huán)境和人體健康。在氨氮排放方面，歐盟一些國家對不同行業(yè)的廢水排放進行了分類管控，如丹麥對工業(yè)廢水的氨氮排放要求根據(jù)行業(yè)不同，在10-50mg/L之間。美國環(huán)境保護署（EPA）制定的《清潔水法》對工業(yè)廢水和城市污水的排放進行了規(guī)范。對于鎳的排放，EPA根據(jù)不同的行業(yè)和排放去向制定了相應的排放標準，如在某些特定行業(yè)中，鎳的排放限值為0.1mg/L。在氨氮排放方面，EPA根據(jù)水體的用途和敏感程度，對不同區(qū)域的氨氮排放進行了限制，以防止水體富營養(yǎng)化和保護水生生物的生存環(huán)境。達標排放是企業(yè)應盡的社會責任，也是環(huán)境保護的必然要求。若企業(yè)排放的廢水不符合標準，其中的鎳和氨會對水體、土壤等環(huán)境要素造成污染，進而影響生態(tài)平衡和人類健康。鎳在環(huán)境中難以降解，會在生物體內積累，通過食物鏈傳遞，最終危害人體健康；氨氮則會導致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)藻類過度繁殖，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)。嚴格執(zhí)行排放標準，促使企業(yè)采用先進的廢水處理技術和工藝，能夠減少污染物的排放，降低對環(huán)境的危害，保護水資源和生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)經濟發(fā)展與環(huán)境保護的協(xié)調共進。三、廢水中去除鎳的工藝研究3.1化學沉淀法化學沉淀法是處理含鎳廢水的常用方法，其原理是向含鎳廢水中加入化學藥劑，使鎳離子與藥劑發(fā)生化學反應，生成難溶性的沉淀物，然后通過固液分離的方式將沉淀物從廢水中去除，從而達到降低廢水中鎳離子濃度的目的。該方法具有操作簡單、成本相對較低等優(yōu)點，在工業(yè)生產中得到了廣泛應用。根據(jù)所使用的沉淀劑不同，化學沉淀法可分為中和沉淀法、硫化物沉淀法等。3.1.1中和沉淀法中和沉淀法是向含鎳廢水中加入堿性物質，如氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鈣（Ca(OH)?）等，調節(jié)廢水的pH值，使鎳離子與氫氧根離子結合，生成氫氧化鎳（Ni(OH)?）沉淀。其反應原理如下：Ni^{2+}+2OH^-\longrightarrowNi(OH)_2\downarrow在實際操作中，首先將含鎳廢水收集到調節(jié)池中，通過pH計實時監(jiān)測廢水的pH值，然后緩慢加入堿性物質，如氫氧化鈉溶液，邊加邊攪拌，使廢水充分混合，促進反應的進行。隨著堿性物質的加入，廢水的pH值逐漸升高，當pH值達到一定范圍時，鎳離子開始形成氫氧化鎳沉淀。通常情況下，當pH值控制在9-12之間時，鎳離子的去除效果較好。反應完成后，將廢水輸送至沉淀池進行沉淀，使氫氧化鎳沉淀與上清液分離。上清液經過進一步處理達標后可排放，沉淀則進行后續(xù)的處理，如脫水、填埋或回收利用。中和沉淀法具有操作簡單、成本較低的優(yōu)點，是目前處理含鎳廢水較為常用的方法之一。然而，該方法也存在一些不足之處。一方面，為了使鎳離子充分沉淀，需要將廢水的pH值調節(jié)至較高水平，這會導致處理后的廢水堿性較強，需要進行中和處理后才能排放，增加了處理成本和處理流程的復雜性。另一方面，氫氧化鎳沉淀的顆粒較小，沉淀速度較慢，容易形成膠體，導致固液分離困難，影響處理效果。此外，當含鎳廢水中含有大量絡合劑或其他雜質時，中和沉淀法的處理效果會受到較大影響，難以使廢水中的鎳離子濃度達到排放標準。3.1.2硫化物沉淀法硫化物沉淀法是向含鎳廢水中加入硫化物，如硫化鈉（Na?S）、硫化鉀（K?S）等，使鎳離子與硫離子結合，生成硫化鎳（NiS）沉淀。硫化鎳的溶度積常數(shù)（Ksp）比氫氧化鎳更小，理論上硫化物沉淀法能夠更徹底地去除廢水中的鎳離子。其反應原理如下：Ni^{2+}+S^{2-}\longrightarrowNiS\downarrow在實際操作中，同樣先將含鎳廢水收集到調節(jié)池中，調節(jié)廢水的pH值至合適范圍，一般為8-10。然后緩慢加入硫化物溶液，同時進行攪拌，使硫化物與鎳離子充分接觸反應。由于硫化鎳沉淀的顆粒較小，容易形成膠體，為了促進沉淀的形成和分離，通常需要加入絮凝劑，如聚丙烯酰胺（PAM）。反應完成后，將廢水輸送至沉淀池進行沉淀分離，上清液達標后排放，沉淀進行后續(xù)處理。硫化物沉淀法的優(yōu)點是對鎳離子的去除效果較好，能夠使廢水中的鎳離子濃度降低到較低水平。然而，該方法在實際應用中也存在一些局限性。首先，硫化物沉淀法的處理成本較高，硫化物的價格相對較貴，且用量較大，增加了處理成本。其次，硫化物在處理過程中容易產生硫化氫（H?S）氣體，硫化氫是一種有毒、有刺激性氣味的氣體，會對環(huán)境和操作人員的健康造成危害，因此需要配備完善的通風和尾氣處理設施。此外，硫化物沉淀的處理難度較大，沉淀中可能含有未反應的硫化物和其他雜質，需要進行進一步的處理和處置，以防止二次污染。3.1.3案例分析以某電鍍廠含鎳廢水處理項目為例，該電鍍廠主要從事五金電鍍業(yè)務，鍍鎳工藝產生的含鎳廢水水量為500m3/d，鎳離子濃度在100-200mg/L之間。該廠原采用中和沉淀法處理含鎳廢水，具體工藝流程為：含鎳廢水先進入調節(jié)池，調節(jié)pH值至10-11，加入氫氧化鈉作為沉淀劑，反應一段時間后，進入沉淀池進行沉淀分離，上清液達標排放，沉淀進行脫水處理后填埋。在實際運行過程中，發(fā)現(xiàn)該工藝存在一些問題。由于含鎳廢水中含有一定量的絡合劑，導致部分鎳離子以絡合態(tài)存在，中和沉淀法難以將其有效去除，處理后的廢水中鎳離子濃度仍在10-20mg/L之間，無法達到當?shù)氐呐欧艠藴剩?.5mg/L）。為了解決這一問題，該廠對處理工藝進行了改進，采用硫化物沉淀法作為深度處理工藝。具體做法是在中和沉淀后的廢水中加入硫化鈉溶液，調節(jié)pH值至8-9，同時加入適量的絮凝劑，反應后進入二次沉淀池進行沉淀分離。改進后的工藝取得了良好的效果，處理后的廢水中鎳離子濃度降至0.3mg/L以下，達到了排放標準。通過對該案例的分析可以看出，化學沉淀法在處理含鎳廢水時，需要根據(jù)廢水的水質特點選擇合適的沉淀劑和工藝條件。對于含有絡合劑的含鎳廢水，單一的中和沉淀法難以達到理想的處理效果，而硫化物沉淀法具有更好的去除效果，但需要注意控制處理過程中的硫化氫氣體排放和沉淀的后續(xù)處理問題。在實際工程應用中，還可以將多種化學沉淀法聯(lián)合使用，或者與其他處理方法相結合，以提高含鎳廢水的處理效率和降低處理成本。3.2離子交換法3.2.1原理與工藝離子交換法是利用離子交換劑與廢水中的離子進行交換反應，從而將廢水中的鎳離子去除的一種方法。離子交換劑通常是一種不溶性的高分子化合物，其表面帶有可交換的離子基團。當含鎳廢水通過離子交換劑時，鎳離子與離子交換劑表面的可交換離子發(fā)生交換反應，鎳離子被吸附到離子交換劑上，而離子交換劑上的可交換離子則進入廢水中，從而實現(xiàn)鎳離子的去除。其反應原理可表示為：R-Na+Ni^{2+}\rightleftharpoonsR-Ni+2Na^+其中，R表示離子交換劑的高分子骨架，R-Na表示鈉型離子交換劑，R-Ni表示鎳型離子交換劑。離子交換法處理含鎳廢水的工藝流程一般包括預處理、離子交換、再生等步驟。預處理的目的是去除廢水中的懸浮物、有機物等雜質，防止這些雜質對離子交換樹脂造成污染和堵塞，影響離子交換效果。常用的預處理方法有過濾、沉淀、混凝等。離子交換過程是將經過預處理的含鎳廢水通過離子交換柱，離子交換柱中填充有離子交換樹脂。廢水在通過離子交換樹脂層時，鎳離子與樹脂上的可交換離子發(fā)生交換反應，被吸附到樹脂上。為了提高離子交換效率，通常需要控制廢水的流速、溫度、pH值等參數(shù)。一般來說，較低的流速、適宜的溫度（25-35℃）和適當?shù)膒H值（6-8）有利于離子交換反應的進行。當離子交換樹脂吸附的鎳離子達到一定程度后，樹脂的交換能力會下降，此時需要對樹脂進行再生。再生的目的是將吸附在樹脂上的鎳離子解吸下來，使樹脂恢復交換能力。常用的再生劑有鹽酸、硫酸等強酸溶液。再生過程是將再生劑通過離子交換柱，再生劑中的氫離子與吸附在樹脂上的鎳離子發(fā)生交換反應，將鎳離子置換下來，隨再生廢液排出。再生后的樹脂用清水沖洗后，可重新投入使用。在選擇離子交換樹脂時，需要考慮樹脂的交換容量、選擇性、機械強度、化學穩(wěn)定性等因素。強酸性陽離子交換樹脂對鎳離子具有較高的交換容量和選擇性，能夠有效地去除廢水中的鎳離子，但其再生成本較高；弱酸性陽離子交換樹脂的交換容量相對較低，但再生容易，成本較低，且對鎳離子也有一定的選擇性。因此，在實際應用中，需要根據(jù)廢水的水質、處理要求和經濟成本等因素綜合考慮，選擇合適的離子交換樹脂。3.2.2案例分析某電子企業(yè)主要從事半導體芯片制造，在生產過程中產生大量含鎳廢水，廢水中鎳離子濃度在50-100mg/L之間，同時含有少量的銅、鋅等重金屬離子和有機物。該企業(yè)采用離子交換法處理含鎳廢水，其工藝流程如下：含鎳廢水首先進入調節(jié)池，調節(jié)廢水的pH值至6-7，同時加入絮凝劑進行混凝沉淀，去除廢水中的懸浮物和部分有機物。經過預處理后的廢水進入離子交換柱，離子交換柱中填充有強酸性陽離子交換樹脂。廢水以一定的流速通過離子交換柱，鎳離子與樹脂上的氫離子發(fā)生交換反應，被吸附到樹脂上，處理后的廢水中鎳離子濃度降至0.5mg/L以下，達到排放標準后排放。當離子交換樹脂吸附飽和后，用5%的鹽酸溶液對樹脂進行再生。再生過程中，鹽酸溶液中的氫離子與吸附在樹脂上的鎳離子發(fā)生交換反應，將鎳離子置換下來，隨再生廢液排出。再生廢液中的鎳離子濃度較高，可通過進一步處理回收鎳資源。再生后的樹脂用清水沖洗至中性后，重新投入使用。該企業(yè)采用離子交換法處理含鎳廢水，取得了良好的效果。處理后的廢水能夠穩(wěn)定達標排放，同時通過回收再生廢液中的鎳資源，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，具有一定的經濟效益。然而，在實際運行過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。例如，由于廢水中含有少量的有機物，離子交換樹脂容易受到污染，導致交換容量下降，需要定期對樹脂進行清洗和再生；再生過程中使用的鹽酸溶液具有腐蝕性，對設備和管道的材質要求較高，增加了設備投資和維護成本；此外，離子交換樹脂的價格較高，且使用壽命有限，需要定期更換，也增加了處理成本。針對這些問題，該企業(yè)采取了一系列改進措施。在預處理階段，增加了活性炭吸附工藝，進一步去除廢水中的有機物，減少對離子交換樹脂的污染；對離子交換設備和管道進行了防腐處理，選用耐腐蝕的材料，延長設備和管道的使用壽命；同時，加強了對離子交換樹脂的維護和管理，定期對樹脂進行檢測和保養(yǎng)，延長樹脂的使用壽命，降低處理成本。通過這些改進措施，該企業(yè)的含鎳廢水處理系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，處理效果得到進一步提高，同時降低了運行成本和維護難度。3.3膜分離法膜分離法是利用特殊制造的半透膜對廢水中的鎳離子和其他雜質進行選擇性分離的技術。根據(jù)膜的孔徑大小和分離原理的不同，可分為反滲透膜技術、納濾膜技術等。膜分離法具有高效、節(jié)能、無相變、分離效果好等優(yōu)點，能夠在去除鎳離子的同時實現(xiàn)廢水的回用，在含鎳廢水處理領域得到了越來越廣泛的應用。然而，膜分離法也存在一些缺點，如膜的成本較高、易受到污染和堵塞、需要定期清洗和更換膜組件等，這些因素在一定程度上限制了其大規(guī)模應用。3.3.1反滲透膜技術反滲透膜技術是利用半透膜的選擇透過性，在高于溶液滲透壓的壓力作用下，使水通過反滲透膜而鎳離子等溶質被截留，從而實現(xiàn)鎳離子與水的分離。反滲透膜的孔徑非常小，一般在0.1-1nm之間，能夠有效截留分子和離子，對鎳離子的截留率可高達99%以上。其工作原理基于滲透現(xiàn)象的逆過程，當在濃溶液一側施加一個大于滲透壓的壓力時，溶劑會從濃溶液一側向稀溶液一側流動，這個過程稱為反滲透。在含鎳廢水處理中，將含鎳廢水作為濃溶液，在壓力作用下，水分子透過反滲透膜，而鎳離子則被截留在濃水側，從而實現(xiàn)鎳離子的去除和水的凈化。在實際應用中，反滲透膜組件的選擇對處理效果至關重要。常見的反滲透膜組件有卷式、板式、管式和中空纖維式等。卷式膜組件具有結構緊湊、占地面積小、裝填密度大、價格相對較低等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的反滲透膜組件；板式膜組件具有結構簡單、操作方便、易于清洗和維護等優(yōu)點，但占地面積較大，裝填密度較低；管式膜組件適用于處理高濃度、高懸浮物的廢水，具有抗污染能力強、清洗方便等優(yōu)點，但成本較高；中空纖維式膜組件具有裝填密度大、產水量高、占地面積小等優(yōu)點，但對進水水質要求較高，易受到污染。操作壓力和溫度也是影響反滲透膜處理效果的重要因素。一般來說，提高操作壓力可以增加水的通量，提高鎳離子的去除率，但過高的壓力會導致膜的損壞和能耗增加。在處理含鎳廢水時，操作壓力通?？刂圃?-3MPa之間。溫度對反滲透膜的性能也有較大影響，溫度升高，水的粘度降低，擴散系數(shù)增大，水通量會增加，但同時膜的選擇性會下降，對鎳離子的截留率可能會降低。因此，在實際操作中，需要根據(jù)廢水的性質和膜的特性，將溫度控制在適宜的范圍內，一般為20-30℃。3.3.2納濾膜技術納濾膜的孔徑介于反滲透膜和超濾膜之間，一般在1-10nm之間，對二價及以上的離子具有較高的截留率，能夠有效截留鎳離子。納濾膜對鎳離子的截留主要基于篩分效應和Donnan效應。篩分效應是指納濾膜的孔徑小于鎳離子的水合半徑，從而阻止鎳離子通過膜；Donnan效應是指由于膜表面帶有電荷，與鎳離子之間存在靜電相互作用，使得鎳離子難以透過膜。與反滲透膜相比，納濾膜在處理含鎳廢水時具有一些獨特的優(yōu)點。納濾膜的操作壓力相對較低，一般在0.5-1.5MPa之間，這使得納濾膜的能耗較低，運行成本相對較低。納濾膜對單價離子的截留率較低，對二價及以上離子具有較高的選擇性，因此在去除鎳離子的同時，能夠保留一些對后續(xù)工藝或回用有益的單價離子，如鈉離子、氯離子等。然而，納濾膜的孔徑相對較大，對鎳離子的截留率一般在90%-98%之間，低于反滲透膜的截留率。納濾膜對進水水質的要求也較高，需要對廢水進行嚴格的預處理，以防止膜的污染和堵塞。3.3.3案例分析以某線路板廠含鎳廢水回用項目為例，該線路板廠在生產過程中產生大量含鎳廢水，鎳離子濃度在50-100mg/L之間，廢水水量為200m3/d。為了實現(xiàn)廢水的回用和鎳資源的回收，該廠采用了膜分離法，具體工藝流程為：含鎳廢水首先進入調節(jié)池，調節(jié)廢水的pH值至6-7，然后通過多介質過濾器和保安過濾器進行預處理，去除廢水中的懸浮物、膠體等雜質。預處理后的廢水進入反滲透系統(tǒng)，反滲透系統(tǒng)采用卷式反滲透膜組件，操作壓力為2MPa，溫度控制在25℃左右。經過反滲透處理后，產水的鎳離子濃度低于0.1mg/L，達到了回用標準，可回用于生產過程中的漂洗工序；濃水的鎳離子濃度濃縮至500-1000mg/L，進入鎳回收系統(tǒng)。鎳回收系統(tǒng)采用離子交換樹脂對濃水中的鎳離子進行吸附回收，離子交換樹脂選用強酸性陽離子交換樹脂，吸附飽和后用鹽酸溶液進行再生，再生后的鎳離子溶液經過進一步處理后可回用于鍍鎳槽。通過該膜分離法處理工藝，該廠實現(xiàn)了含鎳廢水的回用，回用率達到70%以上，每年可節(jié)約大量的水資源；同時，回收了廢水中的鎳資源，減少了鎳鹽的采購量，具有顯著的經濟效益和環(huán)境效益。然而，在實際運行過程中，該廠也遇到了一些問題。由于廢水中含有少量的有機物和微生物，反滲透膜容易受到污染，導致膜通量下降，需要定期對膜進行化學清洗?；瘜W清洗會增加運行成本，同時也會對膜的壽命產生一定的影響。為了解決這一問題，該廠在預處理階段增加了活性炭吸附和紫外線消毒工藝，進一步去除廢水中的有機物和微生物，減少了膜的污染，延長了膜的使用壽命。3.4其他方法除了上述常見的處理工藝外，鐵氧體法、重金屬螯合沉淀法等也在含鎳廢水處理中有所應用。鐵氧體法是利用FeSO?使各種重金屬離子形成鐵氧體晶體而沉淀析出，廢水中的Ni2?可占據(jù)Fe2?的晶格形成共沉淀而去除。其反應過程較為復雜，首先在含鎳廢水中加入FeSO?，使Fe2?與Ni2?等重金屬離子混合，然后在一定的pH值和溫度條件下，通過氧化等反應形成鐵氧體晶體結構。在這個過程中，Ni2?進入鐵氧體晶格，從而實現(xiàn)從廢水中的去除。常軍霞等學者的研究表明，在pH=9.0，n(Fe2?)∶n(Ni2?)=2∶1，溫度為70℃的條件下，鎳的轉化率可達99.0%以上，廢水中的Ni2?可從100mg/L降至0.47mg/L。該方法的優(yōu)點在于處理設備相對簡單，投資較少，且沉渣可回收利用，具有一定的經濟效益。然而，鐵氧體法也存在一些局限性，例如在處理過程中需要消耗較多的NaOH和熱能，導致運行成本增加；同時，對反應條件的控制要求較為嚴格，若條件控制不當，會影響鐵氧體的形成和鎳離子的去除效果。重金屬螯合沉淀法是在傳統(tǒng)化學沉淀工藝的基礎上，加入重金屬螯合劑。重金屬螯合劑能夠與鎳離子形成穩(wěn)定的螯合物，這種螯合物具有難溶性，從而實現(xiàn)鎳離子的沉淀去除。劉存海等實驗合成了一種重金屬離子螯合劑HMCA，并將其應用于鍍鎳廢水處理。實驗結果表明，在pH為6.5-7.5時，Ni2?的去除率可達98.5%以上。該螯合劑對Ni2?具有很好的捕集能力，與Ni2?作用形成的螯合產物結構致密穩(wěn)定。重金屬螯合沉淀法的優(yōu)勢在于對鎳離子的去除效果好，能夠適應不同濃度的含鎳廢水，尤其是對于含有絡合鎳的廢水，具有較好的處理效果。此外，該方法操作相對簡便，反應條件溫和。但是，重金屬螯合劑的成本相對較高，會增加廢水處理的成本；而且螯合劑的選擇和使用需要根據(jù)廢水的具體成分進行優(yōu)化，否則可能會影響處理效果。四、廢水中去除氨的工藝研究4.1生物脫氮法生物脫氮法是利用微生物的代謝作用，將廢水中的氨氮轉化為氮氣，從而達到去除氨氮的目的。該方法具有處理成本低、無二次污染等優(yōu)點，在含氨廢水處理中得到了廣泛應用。生物脫氮過程主要包括氨化、硝化、反硝化以及同化作用。4.1.1傳統(tǒng)生物脫氮工藝傳統(tǒng)生物脫氮工藝基于經典的生物脫氮理論，主要包括氨化、硝化、反硝化以及同化作用。氨化作用是有機氮轉化為氨氮的過程，在含氨廢水處理中，廢水中的有機氮，如蛋白質、尿素、氨基酸等，在微生物分泌的胞外酶作用下，逐步水解為小分子的氨基酸，氨基酸再通過脫氨基作用轉化為氨氮，這一過程可在好氧或厭氧條件下進行。參與氨化作用的微生物種類繁多，包括好氧的芽孢桿菌屬、假單胞菌屬，厭氧的梭狀芽孢桿菌屬等。硝化作用是氨氮在硝化細菌的作用下被氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的過程，這一過程需要在好氧條件下進行。硝化作用分為兩個階段：第一階段，在亞硝化細菌的作用下，氨氮被氧化為亞硝酸鹽，反應方程式為：NH_4^++1.5O_2\xrightarrow[]{?o??????????è??}NO_2^-+H_2O+2H^+第二階段，在硝化細菌的作用下，亞硝酸鹽進一步被氧化為硝酸鹽，反應方程式為：NO_2^-+0.5O_2\xrightarrow[]{?????????è??}NO_3^-總反應式為：NH_4^++2O_2\xrightarrow[]{?????????è??}NO_3^-+H_2O+2H^+硝化細菌是化能自養(yǎng)型微生物，生長緩慢，對環(huán)境條件較為敏感，適宜的生長溫度為25-35℃，pH值為7.5-8.5，溶解氧濃度一般應維持在2mg/L以上。反硝化作用是在缺氧條件下，反硝化細菌將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣的過程。反硝化細菌是異養(yǎng)兼性厭氧菌，在缺氧條件下，它們利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的氧作為電子受體，將其還原為氮氣，同時利用廢水中的有機物或外加碳源作為電子供體。以甲醇作為碳源時，反硝化反應的方程式如下：6NO_3^-+5CH_3OH\xrightarrow[]{????????????è??}3N_2+5CO_2+7H_2O+6OH^-反硝化過程的適宜溫度為20-40℃，pH值為6.5-7.5，溶解氧濃度一般應低于0.5mg/L。同化作用是微生物利用氨氮合成自身細胞物質的過程，在生物脫氮過程中，部分氨氮會被微生物吸收，用于合成細胞蛋白質、核酸等物質，從而實現(xiàn)氨氮的去除。傳統(tǒng)生物脫氮工藝的優(yōu)點在于技術成熟，處理效果穩(wěn)定，能夠有效地去除廢水中的氨氮，在污水處理廠等領域得到了廣泛應用。該工藝也存在一些缺點，如硝化過程需要消耗大量的氧氣，能耗較高；反硝化過程需要提供碳源，當廢水中碳源不足時，需要外加碳源，增加了處理成本；硝化細菌和反硝化細菌對環(huán)境條件要求較為嚴格，抗沖擊能力較弱，當廢水水質、水量發(fā)生較大變化時，處理效果容易受到影響。傳統(tǒng)生物脫氮工藝適用于處理水質、水量相對穩(wěn)定，碳源充足的含氨廢水，對于工業(yè)廢水等水質復雜、波動較大的廢水，需要進行預處理或對工藝進行優(yōu)化改進。4.1.2新型生物脫氮工藝隨著對生物脫氮技術研究的不斷深入，一些新型生物脫氮工藝應運而生，這些工藝在傳統(tǒng)生物脫氮工藝的基礎上，通過改進反應條件、優(yōu)化微生物菌群等方式，提高了脫氮效率，降低了處理成本，具有更廣闊的應用前景。短程硝化反硝化工藝是將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后直接進行反硝化，而不經過硝酸鹽階段。其原理是利用亞硝酸菌和硝酸菌對環(huán)境條件的不同要求，通過控制溫度、pH值、溶解氧等條件，使亞硝酸菌大量繁殖，將氨氮氧化為亞硝酸鹽，然后在缺氧條件下，利用反硝化菌將亞硝酸鹽還原為氮氣。與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，短程硝化反硝化工藝具有明顯的優(yōu)勢。在硝化階段，由于省去了將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的過程，可節(jié)省約25%的耗氧量，降低了能耗；在反硝化階段，以亞硝酸鹽為電子受體，所需的有機碳源僅為傳統(tǒng)工藝的60%左右，減少了碳源的投加量，降低了處理成本；由于反應歷程縮短，反應器容積也可相應減小，提高了處理效率。好氧反硝化工藝打破了傳統(tǒng)觀念中反硝化只能在缺氧條件下進行的認知。一些好氧反硝化菌，如Thiosphaerapantotropha、Pseudomonasstutzeri等，能夠在有氧條件下進行反硝化作用。其原理是這些好氧反硝化菌具有特殊的酶系統(tǒng)，能夠利用氧氣作為電子受體，同時將硝酸鹽或亞硝酸鹽還原為氮氣。好氧反硝化工藝的優(yōu)勢在于可以在同一反應器中實現(xiàn)硝化和反硝化過程，減少了反應器的數(shù)量和占地面積；縮短了處理流程，提高了處理效率；對于一些低碳氮比的廢水，好氧反硝化菌能夠利用水中的溶解氧和少量的有機物進行反硝化，無需外加碳源，降低了處理成本。厭氧氨氧化工藝是在厭氧條件下，微生物以氨氮為電子供體，以亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮和亞硝酸鹽直接轉化為氮氣的過程。其反應方程式為：NH_4^++NO_2^-\xrightarrow[]{????°§?°¨?°§???è??}N_2+2H_2O厭氧氨氧化菌是一類自養(yǎng)型微生物，能夠利用無機碳源進行生長和代謝。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝具有顯著的優(yōu)勢。它無需外加碳源，降低了處理成本；由于不需要進行硝化和反硝化過程中的氧氣供應和碳源補充，大大降低了能耗；產生的污泥量少，減少了污泥處理的成本和環(huán)境壓力。厭氧氨氧化工藝對反應條件要求較為嚴格，如溫度、pH值、溶解氧等，且厭氧氨氧化菌的生長緩慢，啟動時間較長，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應用。4.1.3案例分析以某城市污水處理廠為例，該廠采用A/O（缺氧/好氧）生物脫氮工藝處理城市生活污水，設計處理規(guī)模為10萬m3/d，進水氨氮濃度為30-50mg/L，出水氨氮濃度要求達到5mg/L以下。在實際運行過程中，污水首先進入缺氧池，在缺氧條件下，反硝化細菌利用污水中的有機物作為碳源，將回流混合液中的硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣，實現(xiàn)反硝化脫氮。缺氧池的水力停留時間為2h，溶解氧濃度控制在0.2mg/L以下。隨后，污水進入好氧池，在好氧條件下，硝化細菌將氨氮氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，同時好氧微生物分解污水中的有機物。好氧池的水力停留時間為6h，溶解氧濃度控制在2-3mg/L。通過內回流系統(tǒng)，將好氧池中的混合液回流至缺氧池，回流比為200%，以提供反硝化所需的硝酸鹽和亞硝酸鹽。在穩(wěn)定運行期間，該廠的生物脫氮系統(tǒng)對氨氮的去除效果良好，出水氨氮濃度穩(wěn)定在5mg/L以下，去除率達到85%以上。然而，在運行過程中也發(fā)現(xiàn)了一些影響生物脫氮效果的因素。當進水水質發(fā)生變化，如碳氮比降低時，反硝化過程受到影響，導致出水氨氮濃度升高。為了解決這一問題，該廠采取了外加碳源（甲醇）的措施，提高了反硝化效率，保證了出水氨氮達標。溫度對生物脫氮效果也有較大影響，在冬季水溫較低時，硝化細菌和反硝化細菌的活性降低，生物脫氮效率下降。該廠通過增加曝氣時間、提高污泥濃度等措施，在一定程度上緩解了溫度對生物脫氮效果的影響。此外，溶解氧濃度的控制也至關重要，當好氧池溶解氧濃度過低時，硝化反應不完全，導致出水氨氮升高；當缺氧池溶解氧濃度過高時，反硝化過程受到抑制。因此，該廠通過優(yōu)化曝氣系統(tǒng)和溶解氧監(jiān)測控制系統(tǒng)，確保好氧池和缺氧池的溶解氧濃度在合適的范圍內。4.2氨吹脫法氨吹脫法是一種基于氣液相平衡和傳質速度理論的氨氮廢水處理方法，其核心原理是將氨氮廢水的pH值調節(jié)至堿性，促使銨離子（NH_4^+）轉化為游離氨（NH_3），然后向水中通入氣體，使游離氨穿過氣液界面進入氣相，從而實現(xiàn)氨氮從廢水中的去除。根據(jù)所使用的載氣不同，氨吹脫法可分為蒸汽吹脫法和空氣吹脫法。4.2.1蒸汽吹脫法蒸汽吹脫法以水蒸氣作為載氣。在該方法中，水蒸氣不僅起到氣液接觸的作用，還能提供熱量，提高廢水的溫度。隨著廢水溫度的升高，氨在水中的溶解度顯著降低，這有利于游離氨從液相向氣相轉移，從而提高氨的吹脫效率。當廢水溫度升高時，氨分子的熱運動加劇，更容易克服液相的束縛，擴散到氣相中。蒸汽用量是影響蒸汽吹脫法效果的重要因素之一。一般來說，蒸汽用量越大，氣液接觸越充分，氨氮的去除率越高。當蒸汽用量增加時，單位時間內與廢水接觸的蒸汽量增多，提供了更多的氣液界面，使游離氨有更多的機會進入氣相。但蒸汽用量過大也會導致能耗大幅增加，處理成本上升。因此，在實際應用中，需要綜合考慮處理效果和成本，通過實驗或工程經驗確定最佳的蒸汽用量。溫度對蒸汽吹脫法的影響也十分顯著。溫度升高，氨在水中的溶解度降低，揮發(fā)速度加快，有利于吹脫過程的進行。在較高溫度下，氨分子的動能增大，更容易從液相中逸出。但過高的溫度會增加蒸汽的消耗，同時對設備的耐高溫性能提出更高要求，增加設備投資成本。研究表明，蒸汽吹脫法的適宜溫度一般在80-100℃之間。在這個溫度范圍內，既能保證較高的氨氮去除率，又能在一定程度上控制能耗和設備成本。廢水的pH值對蒸汽吹脫法至關重要。在堿性條件下，銨離子更容易轉化為游離氨，從而有利于吹脫。當pH值升高時，溶液中氫氧根離子濃度增加，與銨離子反應生成游離氨和水，促進了氨的吹脫。一般認為，蒸汽吹脫法的最佳pH值在10-11之間。在這個pH值范圍內，銨離子向游離氨的轉化較為充分，能有效提高氨氮的去除效果。4.2.2空氣吹脫法空氣吹脫法以空氣作為載氣，其工藝流程通常包括廢水預處理、pH值調節(jié)、吹脫塔吹脫、尾氣處理等環(huán)節(jié)。首先，對含氨廢水進行預處理，去除其中的懸浮物、雜質等，防止這些物質堵塞吹脫塔或影響吹脫效果。然后，通過投加堿性藥劑，如氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鈣（Ca(OH)_2）等，將廢水的pH值調節(jié)至10-11，使銨離子轉化為游離氨。接著，將調節(jié)好pH值的廢水送入吹脫塔，在吹脫塔中，空氣通過曝氣裝置均勻地通入廢水中，與廢水充分接觸，使游離氨從液相轉移到氣相。吹脫后的尾氣中含有一定量的氨，若直接排放會對大氣環(huán)境造成污染，因此需要進行尾氣處理。常用的尾氣處理方法有酸吸收法，即將尾氣通入稀硫酸溶液中，氨與硫酸反應生成硫酸銨，從而實現(xiàn)氨的回收利用。與蒸汽吹脫法相比，空氣吹脫法在能耗和處理效果上存在明顯差異。在能耗方面，空氣吹脫法無需蒸汽加熱，能耗相對較低。蒸汽吹脫法需要消耗大量的熱能來產生蒸汽，而空氣吹脫法只需通過風機提供空氣動力，能耗主要集中在風機的運行上。在處理效果方面，蒸汽吹脫法由于利用蒸汽的熱量提高了廢水溫度，氨氮去除率通常能達到90%以上。而空氣吹脫法的氨氮去除率一般在70%-90%之間。這是因為蒸汽吹脫法中較高的溫度更有利于氨的揮發(fā)，而空氣吹脫法中廢水溫度相對較低，氨的揮發(fā)速度和程度相對較弱。4.2.3案例分析以某化工企業(yè)的高氨氮廢水處理項目為例，該企業(yè)在生產過程中產生的廢水氨氮濃度高達1000-1500mg/L，原水pH值為6-7。企業(yè)采用空氣吹脫法進行處理，其工藝流程為：廢水首先進入調節(jié)池，調節(jié)水質和水量，然后加入氫氧化鈉調節(jié)pH值至10.5，之后進入吹脫塔。吹脫塔采用逆流操作，空氣由塔底通入，廢水由塔頂噴淋而下，氣液在塔內充分接觸。吹脫后的尾氣通過酸吸收塔進行處理，吸收液為稀硫酸，生成的硫酸銨溶液可作為化肥原料回收利用。在該項目的實際運行中，空氣吹脫法取得了一定的處理效果。經過吹脫處理后，廢水中的氨氮濃度可降低至200-300mg/L，氨氮去除率達到70%-80%。但在運行過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如吹脫塔內出現(xiàn)了結垢現(xiàn)象。這是由于廢水中含有鈣、鎂等金屬離子，在堿性條件下，這些金屬離子會與碳酸根、磷酸根等形成難溶性鹽，附著在塔壁和填料表面，影響氣液接觸和吹脫效果。為了解決結垢問題，企業(yè)采取了定期酸洗的措施，每隔一段時間，向吹脫塔內注入一定濃度的鹽酸溶液，溶解塔內的垢層，恢復吹脫塔的性能。此外，當氣溫較低時，氨氮去除率會明顯下降。這是因為低溫會導致氨在水中的溶解度增加，揮發(fā)速度減慢，不利于吹脫過程的進行。為了應對這一問題，企業(yè)在冬季增加了空氣的預熱裝置，將進入吹脫塔的空氣進行預熱，提高吹脫塔內的溫度，從而保證氨氮的去除效果。通過這些改進措施，該化工企業(yè)的高氨氮廢水處理系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，氨氮去除效果得到了進一步提高。4.3化學沉淀法（鳥糞石法）化學沉淀法中的鳥糞石法，是一種通過向含氨氮廢水中投加鎂鹽和磷酸鹽，促使氨氮與這些藥劑發(fā)生化學反應，生成磷酸銨鎂（MgNH?PO??6H?O，俗稱鳥糞石）沉淀，從而實現(xiàn)氨氮從廢水中去除的方法。其反應原理基于以下化學反應方程式：Mg^{2+}+NH_4^++PO_4^{3-}+6H_2O\longrightarrowMgNH_4PO_4\cdot6H_2O\downarrowMg^{2+}+HPO_4^{2-}+NH_4^++6H_2O\longrightarrowMgNH_4PO_4\cdot6H_2O\downarrow+H^+Mg^{2+}+H_2PO_4^{-}+NH_4^++6H_2O\longrightarrowMgNH_4PO_4\cdot6H_2O\downarrow+2H^+在實際應用中，沉淀劑的投加量對沉淀效果有著關鍵影響。從化學反應的化學計量比來看，生成鳥糞石理論上的鎂離子（Mg^{2+}）、銨根離子（NH_4^+）和磷酸根離子（PO_4^{3-}）的摩爾比r(Mg^{2+})a??r(NH_4^+)a??r(PO_4^{3-})為1a??1a??1。然而，在實際廢水處理過程中，由于廢水中可能存在其他雜質離子，以及反應的不完全性，往往需要對沉淀劑的投加比例進行優(yōu)化調整。研究表明，當n(Mg^{2+})a??n(NH_4^+)a??n(PO_4^{3-})為1.2a??1a??1時，氨氮的去除率可達到較高水平。當鎂離子投加量不足時，無法與所有的氨氮和磷酸根離子充分反應，導致氨氮去除不徹底；而鎂離子投加量過多，則會增加處理成本，同時可能引入新的雜質。pH值也是影響鳥糞石沉淀法效果的重要因素。pH值會影響氨氮在水中的存在形態(tài)，以及鎂鹽和磷酸鹽的溶解度。在酸性條件下，磷酸銨鎂的溶解度較大，不利于沉淀的生成；隨著pH值的升高，銨離子更容易轉化為游離氨，同時鎂鹽和磷酸鹽的溶解度降低，有利于鳥糞石沉淀的形成。文獻報道的最優(yōu)pH范圍為9.0-10.7。當pH值過高時，可能會生成氫氧化鎂等其他沉淀，影響鳥糞石的純度和沉淀效果，還可能導致廢水中的其他金屬離子沉淀，增加處理的復雜性。溫度對鳥糞石沉淀法也有一定影響。一般來說，適當提高溫度可以加快反應速率，使沉淀過程更快達到平衡。溫度過高會導致鳥糞石的溶解度增加，不利于沉淀的生成。研究表明，在25-35℃的溫度范圍內，鳥糞石沉淀法的處理效果較好。在這個溫度區(qū)間內，既能保證反應有較快的速率，又能維持鳥糞石較低的溶解度，從而實現(xiàn)較高的氨氮去除率。鳥糞石法處理高氨氮廢水具有諸多優(yōu)勢，不僅處理效果好，反應迅速，操作相對簡單，還能實現(xiàn)氨氮的回收利用，產物鳥糞石作為一種緩釋肥，具有廣闊的市場前景，在處理高濃度氨氮廢水時具有較高的應用價值。該方法也存在一些局限性，沉淀劑的成本相對較高，尤其是鎂鹽和磷酸鹽的大量使用，會導致處理成本增加，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應用。4.4其他方法折點加氯法是利用氯氣或次氯酸鈉等強氧化劑，在水中發(fā)生一系列化學反應，將氨氮氧化為氮氣的方法。當向含氨氮廢水中投加氯氣時，氯氣首先與水反應生成次氯酸（HClO）和鹽酸（HCl）：Cl_2+H_2O\longrightarrowHClO+HCl。次氯酸具有強氧化性，能與氨氮發(fā)生氧化還原反應。在一定的反應條件下，當氯氣投加量達到某一臨界點時，氨氮被完全氧化為氮氣，這個臨界點即為折點。其主要反應方程式如下：NH_4^++1.5HClO\longrightarrow0.5N_2+1.5H_2O+2.5H^++1.5Cl^-折點加氯法具有處理效率高、反應速度快的優(yōu)點，能夠在短時間內將氨氮濃度大幅降低，對氨氮的去除率可達90%-100%。該方法不受水溫、水質等條件的影響，操作相對簡便，反應設備占地面積小，在一些對處理時間要求較高、水質波動較大的場合具有一定的優(yōu)勢。折點加氯法也存在明顯的缺點，由于需要投加大量的氯氣或次氯酸鈉，運行成本較高，且氯氣是一種有毒氣體，在儲存和使用過程中存在安全風險，需要嚴格的安全措施來保障操作人員的安全和環(huán)境安全。反應過程中會產生氯胺和氯代有機物等副產物，這些副產物具有一定的毒性和致癌性，會對環(huán)境造成二次污染，需要進行后續(xù)處理。折點加氯法適用于處理氨氮濃度較低的廢水，尤其是對出水水質要求較高、水量較小的場合，如某些工業(yè)廢水的深度處理或小型污水處理設施。離子交換法去除氨氮的原理與去除鎳離子類似，利用離子交換劑與廢水中的氨氮進行離子交換反應，將氨氮吸附到離子交換劑上，從而實現(xiàn)氨氮的去除。常用的離子交換劑有天然沸石、離子交換樹脂等。以離子交換樹脂為例，當含氨氮廢水通過離子交換樹脂時，樹脂上的可交換離子（如H^+、Na^+等）與氨氮中的銨離子（NH_4^+）發(fā)生交換反應，使銨離子被吸附到樹脂上，反應式如下：R-H+NH_4^+\rightleftharpoonsR-NH_4+H^+R-Na+NH_4^+\rightleftharpoonsR-NH_4+Na^+離子交換法具有操作簡單、去除效果穩(wěn)定的特點，能夠有效地去除廢水中的氨氮，對氨氮的去除率一般可達70%-90%。該方法對進水水質的適應性較強，可根據(jù)廢水的特點選擇合適的離子交換劑。離子交換樹脂的交換容量有限，當樹脂吸附飽和后，需要進行再生處理，再生過程需要消耗大量的酸堿等化學藥劑，增加了處理成本，且再生廢液需要妥善處理，否則會造成二次污染。離子交換法適用于處理氨氮濃度較低、水量較小的廢水，在一些對水質要求較高的工業(yè)生產過程中，如電子、制藥等行業(yè)的廢水處理中，有一定的應用。膜過濾法中，反滲透和納濾等技術也可用于氨氮廢水處理。反滲透是利用半透膜的選擇透過性，在壓力作用下，使水通過半透膜而氨氮等溶質被截留，從而實現(xiàn)氨氮與水的分離。納濾膜的孔徑介于反滲透膜和超濾膜之間，對氨氮等小分子溶質具有一定的截留能力。在反滲透過程中，當含氨氮廢水在壓力作用下通過反滲透膜時，水分子透過膜進入淡水側，而氨氮等溶質則被截留在濃水側，從而達到去除氨氮的目的。納濾膜對氨氮的截留主要基于其孔徑篩分效應和電荷排斥作用，氨氮離子的水合半徑較大，且與納濾膜表面的電荷存在相互作用，使得氨氮難以透過納濾膜。膜過濾法具有高效、節(jié)能、無相變等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)氨氮的高效去除，對氨氮的截留率可高達95%以上。該方法還可以實現(xiàn)廢水的回用，提高水資源的利用率。膜過濾法的設備投資較大，膜組件的成本較高，且膜容易受到污染和堵塞，需要定期進行清洗和更換，增加了運行成本和維護難度。膜過濾法適用于對水質要求極高、對氨氮去除率要求嚴格的場合，如一些高端制造業(yè)的廢水處理和飲用水深度處理等。五、廢水中鎳和氨去除的基礎研究5.1熱力學平衡研究在研究鎳和氨在廢水中的存在形式和行為時，熱力學平衡研究起著至關重要的作用。通過繪制相關的熱力學平衡圖，能夠直觀地分析不同體系中鎳和氨的存在形式與濃度、pH值之間的關系，為廢水處理工藝的選擇和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在鎳的熱力學平衡研究中，以Ni^{2+}-H_2O系為例，繪制pC-pH圖（pC表示離子濃度的負對數(shù)），該圖描述了Ni(OH)_2（固）溶解平衡時，鎳的總離子平衡濃度與pH的關系。當pH在10-11時，Ni(OH)_2的溶解度最小。這是因為在這個pH范圍內，Ni^{2+}與OH^-的結合達到了最佳狀態(tài)，使得Ni(OH)_2沉淀的生成最為完全。從化學平衡的角度來看，Ni^{2+}+2OH^-\rightleftharpoonsNi(OH)_2，當pH升高時，OH^-濃度增加，平衡向生成Ni(OH)_2沉淀的方向移動，從而降低了溶液中鎳的總離子平衡濃度。當pH超過11時，可能會生成Ni(OH)_3^-等絡合離子，導致Ni(OH)_2的溶解度增加。繪制羥合配離子分率\alpha_n-pH圖，該圖指出了各種羥合配離子分率與pH的關系，每種羥合配離子都對應有其存在的最佳pH范圍。例如，Ni(OH)^+在較低pH值下占主導，隨著pH值的升高，Ni(OH)_2逐漸成為主要存在形式，當pH進一步升高時，Ni(OH)_3^-和Ni(OH)_4^{2-}等絡合離子的分率逐漸增加。這是由于pH值的變化會影響溶液中離子的存在形式和平衡，不同的pH值會導致Ni^{2+}與OH^-的絡合程度不同，從而形成不同的羥合配離子。在研究鎳氨體系Ni^{2+}-NH_3-H_2O時，繪制不同總氨濃度下溶液中所含各種形式的鎳濃度和pH關系圖。結果表明，隨著氨濃度的增加，Ni(OH)_2溶解度增加。當氨濃度分別為0.01mol/L、0.1mol/L和1mol/L時，Ni^{2+}離子最小平衡濃度分別為10^{-6.5}mol/L、10^{-5.5}mol/L和10^{-4.5}mol/L。這是因為氨與Ni^{2+}會形成鎳氨絡合物，如[Ni(NH_3)_6]^{2+}等，這些絡合物的形成會使溶液中游離的Ni^{2+}濃度降低，同時也會影響Ni(OH)_2的溶解平衡。當氨濃度增加時，更多的Ni^{2+}與氨形成絡合物，導致Ni(OH)_2沉淀的溶解平衡向溶解方向移動，從而使Ni(OH)_2的溶解度增加。對于氨的熱力學平衡研究，主要關注氨在水中的存在形式與pH值的關系。氨在水中存在如下平衡：NH_3+H_2O\rightleftharpoonsNH_4^++OH^-。繪制pC-pH圖可以清晰地看到，在酸性條件下，氨主要以NH_4^+的形式存在；隨著pH值的升高，NH_3的比例逐漸增加。當pH值達到10-11時，氨主要以游離氨NH_3的形式存在。這一關系對于氨吹脫法等去除氨的工藝具有重要指導意義，因為在堿性條件下，游離氨更容易從水中揮發(fā)出來，從而實現(xiàn)氨的去除。當pH值較低時，NH_4^+在水中較為穩(wěn)定，難以通過吹脫等方式去除；而當pH值升高到堿性范圍，NH_4^+轉化為NH_3，其揮發(fā)性增強，有利于通過氣液傳質從廢水中分離出去。5.2動力學研究動力學研究對于深入理解鎳和氨在廢水處理過程中的去除機制至關重要，它能夠為工藝的優(yōu)化和控制提供關鍵的理論依據(jù)。在含鎳廢水處理中，化學沉淀法是常用的工藝之一，以氫氧化鎳沉淀過程為例，其反應動力學遵循一定的規(guī)律。在該過程中，鎳離子（Ni^{2+}）與氫氧根離子（OH^-）的反應速度受到多種因素的影響。從離子濃度的角度來看，鎳離子和氫氧根離子的初始濃度對反應速率有著顯著影響。根據(jù)化學反應動力學原理，反應速率通常與反應物的濃度成正比。當鎳離子和氫氧根離子的初始濃度較高時，單位體積內的離子數(shù)量增多，它們之間相互碰撞發(fā)生反應的概率增大，從而加快了氫氧化鎳沉淀的生成速度。假設初始鎳離子濃度為C_{Ni^{2+}}，氫氧根離子濃度為C_{OH^-}，反應速率方程可表示為v=kC_{Ni^{2+}}^mC_{OH^-}^n，其中v為反應速率，k為反應速率常數(shù)，m和n分別為鎳離子和氫氧根離子的反應級數(shù)。在實際反應中，通過實驗測定不同初始濃度下的反應速率，進而確定反應級數(shù)和速率常數(shù)，能夠更準確地描述反應的動力學過程。溫度也是影響氫氧化鎳沉淀反應速率的重要因素。根據(jù)阿侖尼烏斯公式k=Ae^{-\frac{E_a}{RT}}，其中A為指前因子，E_a為反應活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。溫度升高，反應速率常數(shù)k增大，反應速率加快。這是因為溫度升高，反應物分子的能量增加，更多的分子具有足夠的能量越過反應的活化能壁壘，從而使反應更容易發(fā)生。在氫氧化鎳沉淀過程中，適當提高溫度可以促進鎳離子與氫氧根離子的反應，加快沉淀的生成速度。溫度過高可能會導致氫氧化鎳沉淀的溶解度增加，反而不利于沉淀的生成，因此需要在實際操作中找到一個合適的溫度范圍，以平衡反應速率和沉淀效果。在含氨廢水處理的生物脫氮過程中，動力學研究同樣具有重要意義。以硝化反應為例，其反應速率受到多種因素的制約。溶解氧是硝化反應的關鍵影響因素之一，硝化細菌是好氧微生物，需要充足的溶解氧來進行代謝活動。當溶解氧濃度較低時，硝化細菌的活性受到抑制，反應速率減慢。研究表明，硝化反應的適宜溶解氧濃度一般應維持在2mg/L以上。在這個濃度范圍內，硝化細菌能夠充分利用溶解氧將氨氮氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，保證硝化反應的順利進行。當溶解氧濃度低于2mg/L時，硝化細菌的呼吸作用受到影響，能量供應不足，導致硝化反應速率下降，氨氮的去除效果變差。溫度對硝化反應速率的影響也十分顯著。硝化細菌的生長和代謝對溫度有一定的要求，適宜的溫度范圍為25-35℃。在這個溫度區(qū)間內，硝化細菌體內的酶活性較高，能夠高效地催化硝化反應。當溫度低于25℃時，酶的活性降低，反應速率減慢，氨氮的氧化速度下降；當溫度高于35℃時，硝化細菌的生長和代謝可能會受到抑制，甚至導致細胞結構和功能的損傷，同樣會使硝化反應速率降低。在實際的生物脫氮工藝中，需要根據(jù)季節(jié)和環(huán)境溫度的變化，采取相應的措施來調節(jié)反應溫度，以保證硝化反應的高效進行。pH值對硝化反應也有著重要影響。硝化細菌對pH值較為敏感，適宜的pH值范圍為7.5-8.5。在這個pH值范圍內，硝化細菌的細胞膜電荷穩(wěn)定，酶的活性較高，有利于硝化反應的進行。當pH值低于7.5時，酸性環(huán)境可能會影響硝化細菌的細胞膜通透性和酶的活性，導致硝化反應速率下降；當pH值高于8.5時，堿性環(huán)境可能會使硝化細菌的細胞內酸堿平衡失調，同樣會抑制硝化反應的進行。在生物脫氮過程中，需要密切監(jiān)測和控制廢水的pH值，確保其在適宜的范圍內，以提高硝化反應速率和氨氮的去除效果。5.3反應機理研究在化學沉淀法處理含鎳廢水時，以硫化物沉淀法為例，其微觀反應機理基于硫化鎳（NiS）極低的溶度積常數(shù)。當向含鎳廢水中加入硫化鈉（Na?S）等硫化物時，硫化物在水中電離出硫離子（S2?）：Naa??S\longrightarrow2Na^++S^{2-}。溶液中的鎳離子（Ni^{2+}）與硫離子迅速結合，發(fā)生如下反應：Ni^{2+}+S^{2-}\longrightarrowNiS\downarrow。由于硫化鎳的溶度積常數(shù)（K_{sp}）極小，如在25℃時，K_{sp}(NiS)=1.07??10^{-21}，這意味著在一定條件下，只要溶液中鎳離子和硫離子的濃度乘積超過其溶度積，就會有硫化鎳沉淀生成，從而使溶液中的鎳離子濃度降低，實現(xiàn)鎳的去除。在實際反應過程中，溶液的pH值、溫度等因素會影響硫離子的存在形態(tài)和活性，進而影響硫化鎳沉淀的生成速率和沉淀效果。當pH值較低時，溶液中的氫離子（H^+）濃度較高，會與硫離子結合生成硫化氫（Ha??S）氣體，導致溶液中有效硫離子濃度降低，不利于硫化鎳沉淀的生成。離子交換法去除鎳離子的微觀反應機理主要基于離子交換樹脂的離子交換特性。以強酸性陽離子交換樹脂為例，樹脂上的活性基團（如磺酸基-SOa??H）在水中會電離出氫離子（H^+），使樹脂帶上負電荷。當含鎳廢水通過離子交換樹脂時，鎳離子（Ni^{2+}）與樹脂上的氫離子發(fā)生交換反應：2R-SOa??H+Ni^{2+}\rightleftharpoons(R-SOa??)_2Ni+2H^+，其中R表示離子交換樹脂的骨架。在這個過程中，鎳離子被吸附到樹脂上，而氫離子則被釋放到溶液中，從而實現(xiàn)鎳離子從廢水中的去除。離子交換反應是一個可逆過程，當樹脂上吸附的鎳離子達到一定程度后，需要用再生劑（如鹽酸、硫酸等強酸溶液）對樹脂進行再生。再生過程中，再生劑中的氫離子與吸附在樹脂上的鎳離子發(fā)生交換反應，將鎳離子置換下來，使樹脂恢復交換能力。離子交換反應的速率和交換容量受到多種因素的影響，如樹脂的種類、結構、顆粒大小，以及廢水的流速、溫度、pH值等。較小的樹脂顆粒具有較大的比表面積，能夠提供更多的交換位點，從而提高離子交換反應的速率和交換容量。在生物脫氮法去除氨氮的過程中，硝化反應的微觀機理是由硝化細菌主導的氧化過程。亞硝化細菌（如Nitrosomonas等）首先將氨氮（NHa??^+）氧化為亞硝酸鹽（NOa??^-），其反應過程如下：氨氮在氨單加氧酶（AMO）的作用下，被氧化為羥胺（NHa??OH），NHa??^++Oa??+2e^-\xrightarrow[]{AMO}NHa??OH+Ha??O。羥胺在羥胺氧化還原酶（HAO）的作用下，進一步被氧化為亞硝酸鹽，NHa??OH+Ha??O\xrightarrow[]{HAO}NOa??^-+5H^++4e^-。硝化細菌（如Nitr