传统方法处理高浓度氨氮废水存在占地面积大、能耗高、产生高污染废物等缺点。跨膜化学吸收(TMCS)工艺可以很好地避免传统方法带来的缺点。通过采用3M Liqui-Cel^®膜组件，可处理氨含量高达2 500 mg/L的废水，对氨氮的去除率高达95%，且产生的副产物30wt%硫酸铵可作为肥料使用。本文介绍了TMCS脱氨工艺、3M Liqui-Cel®脱气膜组件的结构特点，以及系统设计实例。

跨膜化学吸收法(Trans Membrane Chemisorption，简称TMCS)，是一种通过采用疏水性中空纤维膜从液体中脱除气体，并通过液体接收相与气体的化学反应来去除气体的分离技术。跨膜间的驱动力是来料废水相与接收相的浓度差，当反应达到化学平衡时，传质停止。在TMCS工艺中，驱动力始终保持较高水平，原因在于转移组分——氨气与接收相发生化学反应，使其在接收相浓度水平为零，或接近于零。

通过TMCS法去除废水中氨氮的过程，可以简单地描述为：通过调整来料废水中的pH值，使废水中的铵根离子转化为游离氨气，氨气通过Liqui-Cel膜组件的孔隙转移，与液体接收相——硫酸溶液反应，生成副产物硫酸铵。由于反应物纯净，故生成的硫酸铵纯度很高，其浓度达到30%时，可作为高质量的肥料出售。

几种脱氨工艺的比较

与其他传统工艺相比，TMCS无论在占地面积，还是能源需求;无论在废料形成，还是产物可用性等方面都极具优势。表1简单总结了几种传统脱氨工艺与TMCS法的对比评价。

由表1可见，汽提工艺虽然不会形成废料，且可形成有用的氨化合物，但其高昂的初期投入成本和高能耗，使其综合评价处于中等水平。在工业环境下控制生化工艺是困难的，且生化处理需要大规模的生化反应池，这些都一定程度影响了其综合评价。离子交换和反渗透技术会产生大量不易处理的废料，大大限制了其在脱氨领域的应用。综合各方面考虑，TMCS法可实现氨气从废水向硫酸溶液的选择性通过;作为副产物，可以生成30%~40%的硫酸铵溶液;在废水中，95%以上的氨被去除，故其在氨氮废水处理方面展现了优异的综合性能。

脱氨工艺介绍

水中的铵根离子(NH₄⁺)通过下列方程式(1)，与氢氧根例子(OH^-)反应。

此反应为可逆反应，废水中的pH值决定了反应的方向，图1显示的是不同温度、不同pH值下，NH₃与NH₄⁺的比例。

由图1可见，当pH值大于等于11.3时，反应平衡将向游离氨气移动，此氨气可以通过疏水微孔膜中的孔隙从废水中去除。由于膜孔径很小且为天然疏水性，故表面张力使液体不能通过微孔。接收相中的硫酸溶液将根据方程式(2)，持续与氨气反应，生产硫酸铵。这将产生并维持膜两侧氨的浓度差，也就是维持从废水中去除氨的驱动力。

以上反应生成的硫酸铵浓度高达30%，可以作为化肥使用。图2 是商用Liqui-Cel^®膜组件中，单根中空纤维去除氨的示意图。废水在纤维外侧流动，硫酸溶液在纤维内侧循环。

Liqui-Cel^®膜组件

3M Liqui-Cel^®脱气膜是一种聚丙烯材质的中空纤维膜，外径约300 μm，内径200~220 μm。膜孔采用干拉工艺生产，精确控制孔径在0.03 μm。聚丙烯为疏水性材料，使得气体容易穿透膜孔，而液体则不会通过(显微照片见图3)。

通常，中空纤维外侧为液体，内侧为气体，在空隙处，气体和液体接触并达到动态平衡，即溶解到液体中的气体和从液体中逃逸的气体相等。根据亨利定律，气体在液体中的溶解度与其在液体表面的分压成正比，通过降低气体侧的某种气体的分压，可以降低此气体在液体中的溶解度，游离气体通过孔隙扩散到气体侧。分离出来的气体被真空或吹扫气体带走。但由于氨气与氧气、二氧化碳相比，其亨利常数小，且在水中的溶解度大，单纯通过真空或结合吹扫气体很难将其去除，故在中空纤维内侧通入酸液，来吸收分离出的氨气，从而达到从废水中去除氨的目的。

Liqui-Cel^®膜组件是由膜材料和壳体组成(如图3所示)，中空纤维采用捆扎的方式固定在一起，形成纤维束，以增强其轴向和径向的强度。将纤维束缠绕在中心管上，端部用环氧树脂封装。通常，液体相在中空纤维外侧流动，气体相(或液体接收相)在纤维内侧反向流动，以增强脱气效果。中心管中间有挡板，将中心管分为两部分：前半部分为分散管;后半部分为收集管，使液体与中空纤维充分接触，减少旁路，提高脱气效率。

系统设计实例

欧洲某工厂安装了一套从废水中去除氨的TMCS系统，其目的是降低工厂的污水处理费用。通过使用两只14×28 Liqui-Cel^®膜组件来处理10 m³/h的氨氮废水。其工艺流程简图见图4。

系统设计包括两个回路：废水回路L1和酸吸收回路L2。两个回路被膜组件中的中空纤维膜所隔离。两个膜组件MC1和MC2对废水侧为串联连接，对酸吸收侧为并联连接。废水箱T1中的氨氮废水通过离心泵P1，进入串联的膜组件中。在进入组件前，通过计量泵P3把NaOH溶液注入废水中，将pH值调整到10以上，以便使NH₄⁺转化为NH₃。

废水中的氨气通过中空纤维膜中的孔隙进入酸吸收侧，计量泵P4将浓H₂SO₄注入酸吸收侧，调整回路pH值小于2，以维持充分的NH₃吸收能力。吸收侧溶液通过离心泵P2不断循环，直至酸循环箱T2中的(NH₄)₂SO₄溶液浓度达到30%，转移入储罐。T2重新注入酸液，以吸收NH₃。NH₃转移后，净化的废水将被排放。

由于方程式(1)的平衡常数强烈地依赖于温度，因此加热废水可以保证废水相存在高浓度的游离NH₃。废水与净化水间的换热器H1，可以通过降低热量损失，来减少总的能源消耗。在实际系统运行中，只有1℃的热量损失，这是由于接收相在循环过程中温度升高，膜组件实际起到了换热器的功能。

实际运行中的工艺参数见表2，最终的NH₃去除率达到95%，且最终副产物硫酸铵浓度达到30wt%，可作为肥料使用。

结语

总体来说，TMCS法比传统气体转移技术更具优势。并且，TMCS工艺通过采用3M Liqui-Cel^®膜组件，可以在特定操作条件下降低初期投入成本和运行成本。3M Liqui-Cel^®膜组件凭借专利的生产工艺，特殊的结构设计，稳定高效的脱气效果，将成为气体控制领域的未来趋势。