改性沸石处理含氨氮废水

改性沸石处理含氨氮废水

NH3-N是高耗氧性物质，每毫克NH3-N氧化成硝酸盐要消耗4157mg的溶解氧，较高的氨氮浓度会直接导致水质的黑臭。作为一种无机营养物质，NH3-N还是引起海洋、湖泊、河流及其它水体富营养化的重要原因，对鱼类及某些水生生物有毒害。桂林某旅游景区的污水处理系统原设计水量为180m3/d，投入使用后，由于实际服务人口增加，导致水量增加。该污水处理工艺未设污泥处理系统，长期以来，沉淀池的污泥通过排入化粪池达到减量目的。以上原因导致该工艺在运行三年后出水氨氮严重超标，污染周围水体，急需脱除水中的氨氮。对于氨氮废水的处理，用常规的生物化学方法去除氨氮效率低、周期长、成本高；用活性炭吸附、磷酸铵镁沉淀等物理化学方法也因其工艺本身的缺陷、成本高等原因而无法广泛应用。因此，寻求高效、切实可行的去除氨氮的方法十分必要。近年来，国内外开展了用沸石去除水中氨氮的研究。沸石是一种廉价的无机非金属矿物，利用它去除水中的氨氮具有效率高、工艺简单、易再生、处理成本低等特点。沸石在水处理中的应用已得到广泛关注。

一、实验部分

1、材料

沸石：采用α改性沸石，其红外光谱见图1。根据其粒径大小分为粗(016～110mm)、中(0125～016mm)、细(0118～0125mm)3种。其化学成分及其含量(wB)为SiO267199%，

TiO20123%，Al2O313125%，Fe2O30167%，MnO0116%，CaO2192%，MgO0189%，K2O1127%，Na2O2165%，P2O501013%。含氨氮废水：取自某旅游景区的高浓度氨氮废水，其水质为ρ(CODCr)=200～

250mg/L，ρ(NH32N)=140～150mg/L，pH=615～715。

2、试剂与仪器

主要试剂：碘化钾、氯化汞、四水合酒石酸钾钠、氯化钠、氯化铵、氢氧化钾、氢氧化钠、硫酸等，均为市售分析纯级化学品。

3、实验方法

氨氮的分析方法采用纳氏试剂比色法(GB7479-87)测定。11312实验方法静态实验：采用静态搅拌吸附实验法。由改性沸石和某旅游小区污水构成固液两相系统，设定搅拌器的转速，改变起始氨氮质量浓度、pH值、改性沸石的粒径、改性沸石的投加量，进行静态吸附反应，然后测溶液中的剩余氨氮浓度。

动态实验：在内直径为19mm的有机玻璃柱中，装入一定高度的改性沸石，使试水以某一滤速持续通过沸石柱，连续测定出水氨氮浓度，观察沸石的除氨效果。

二、结果与讨论

静态实验

改性沸石粒径和反应时间对氨氮去除效果的影响称取国投盛世粗沸石、中沸石和细沸石各20g置于盛有300mL实验废水的烧杯中，废水氨氮浓度为145146mg/L。进行搅拌吸附实验，分别在015、1、115、2、215h取样，测氨氮值。从测定结果(图2)可以看出，各组改

性沸石对NH+4的吸附量均随反应时间延长而增加，但在同一时间段小粒径改性沸石要比大粒径改性沸石的吸附效果好，反应时间为2h时，粗、中、细改性沸石对氨氮的去除率分别为86125%、89100%、90125%。改性沸石粒径对除氨氮效果有一定的影响，这是由于在相同的实验条件下，改性沸石粒径越小，其表面积相对越大，水中NH+4与其接触的几率越大，反应出来的交换速率越大。而粒径大的沸石在吸附NH+4过程中易在沸石的外表面达到动态吸附平衡，和空隙内的动态离子交换平衡，因此表现出粒径大的沸石对氨氮的吸附量偏低。尽管粒径小的沸石吸附量相对较大，但由于其堆积密度大，导致水流通过时产生的水头损失大，为方便后续实验的进行，在以下的实验中采用粗沸石作为实验材料。

投加量对改性沸石脱铵效果的影响

称取粗沸石1、2、3、4、5g，置于盛有300mL、氨氮浓度为145146mg/L小区污水的烧杯中，进行搅拌吸附实验，2h后测水中的氨氮值。从图3可以看出，沸石投加量在1～3g 时，沸石的去除率与沸石投加量呈正相关关系，即氨氮的去除率随沸石投加量的增加而增长。沸石投加量达到3g后，氨氮去除率逐渐趋于平缓。实验结果表明，只需4g此改性沸石就可使300mL的小区污水的氨氮达标排放。

原水氨氮浓度对改性沸石脱氨效果的影响取1g粗沸石放入6个盛有200mL、氨氮浓度分别为11112、21131、30189、42156、51142、62116mg/L的稀释废水的烧杯中，在常温下进行搅拌吸附实验。固定转速为100r/min，搅拌2h后测定水样中剩余氨氮的浓度分别为0110、0121、3123、12186、24147、29187mg/L，结果如图4所示。

1g改性沸石对氨氮的吸附量可达到12192mg。沸石对氨氮的吸附量随原水中氨氮含量的增加而增加。实验所得数据经Langmuir和Freundlich等温线拟合，Langmuir吸附平衡模式对改性沸石吸附氨氮过程的拟合(R2=019997)要优于Fre2undlich吸附平衡模式对改性沸石吸附氨氮过程的拟合(R2=018119)。

原水pH值对改性沸石脱氨效果的影响

取7份1g粗沸石，在常温下进行2h的搅拌实验。原水的体积为100mL，氨氮浓度为75127mg/L。调整溶液的pH值分别为3198、5103、6104、7106、7195、8195、9196。静沉后测水中剩余氨氮浓度。实验结果(图5)表明，当原水pH值在5103～7195时，沸石的吸附量与氨氮的去除率变化不大，吸附量保持在3154～3167mg/L，去除率保持在47100%～48181%。pH=7106时，沸石的吸附量与氨氮的去除率达到最大值。当原水pH值在5103～7195的范围之外时，沸石的吸附量与氨氮的去除率急剧下降；这是由于在pH值较低时，H+的浓度较高，NH+4必须在沸石交换位置上与H+产生竞争交换，故沸石对NH+4的去除率较低。

当水的pH值接近7时，H+的影响较小，主要表现为沸石对NH+4的交换吸附，因而沸石对NH+4的吸附率达到最高。当pH值继续升高，水中OH-增多，NH+4易与OH结合，形成游离态的NH3。NH3不带电，不易与沸石中的Na+发生离子交换，主要依靠沸石的表面吸附作用，故沸石对NH+4的去除率降低，而且当pH值达到碱性范围后，NH+4与OH-结合形成氨气，溶液中NH+4浓度逐渐变小，从而使水体中NH+4浓度降低。

动态吸附实验

柱高对改性沸石去除氨氮的影响在4支内径为19mm的有机玻璃柱中，装入高度分别为20、40、60、80cm的粗沸石，控制流速为1412cm/min，观察沸石的除铵效果，去除率降至70%时，停止运行。

从运行结果(图6)可以看出，在其他条件相同时，沸石柱的高度对氨氮去除率有很大的影响。随着滤柱高度的增加，沸石柱运行时间也增加，两者呈正线性相关。当沸石柱较高时，下层的沸石先与污水接触，进行离子交换吸附，经交换吸附后，水中的氨氮浓度下降并从下