用磷酸铵镁制备废水中氨氮吸附剂的研究

用磷酸铵镁制备废水中氨氮吸附剂的研究

王丽娟，孙体昌，郑亚杰

北京科技大学环境工程系，北京 (100083)

E-mail：qiaoannuo9624@

摘要：化学沉淀法去除废水中的氨氮效果较好同时可以回收再利用氨氮，但因沉淀剂价格昂贵导致处理成本较高。对化学沉淀法所产生的磷酸铵镁进行焙烧后的产物作为废水中氨氮吸附剂进行了研究，结果表明，采用磷酸铵镁焙烧回用法可以去除废水中的氨氮。磷酸铵镁的最佳焙烧条件为100℃，焙烧时间2h，在该条件下磷酸铵镁由晶态变为非晶态。当pH=10，焙烧产物用量为2g/L时，吸附30min氨氮去除率可达89.9%。研究表明，氨氮的吸附符合Langmuir吸附等温式。

关键词：氨氮，磷酸铵镁，焙烧，吸附

1. 引言

近年来，随着城市人口的日益膨胀和工农业的不断发展，水环境污染事故屡屡发生，对人、畜构成严重危害。氨氮是引起水体富营养化的主要因素之一，许多湖泊和水库因氨氮的排放造成水体富营养化，严重威胁到人类的生产生活和生态平衡。水体污染，特别是水体富营养化已经成为我国经济发展重要的影响因素[1]。

目前氨氮处理使用性较好的技术有生物脱氮法，氨吹脱汽提法，折点加氯法，离子交换法等，这些方法的缺点是只能去除而不能回收氨氮[2]。国内外许多学者都对化学沉淀法进行了研究[3~6]。此法在去除废水中氨氮的同时，得到的MgNH4PO4（MAP，俗称鸟粪石）是许多农作物所需的一种复合肥料，能够将废水中的氨氮进行有效回收再利用。影响化学沉淀法实际应用最主要的因素是由于沉淀NH4+所需的药剂(镁盐和磷酸盐)价格较高，而鸟粪石价格较低，出路有限，经济上难以承受，使得该工艺的实际应有受到了限制[7]。为了有效的降低处理成本，增加化学沉淀法在实际应用中的可行性，从循环经济的角度考虑，将废水中的氨氮以氨水的形式回收，是解决氨氮废水污染问题的最佳方案。因此作者以实验室模拟氨氮废水为试样，将化学沉淀法的沉淀产物MgNH4PO4焙烧处理后再加入废水中进行吸附试验，目的是使焙烧后的固体产物作为废水中氨氮的吸附剂，而焙烧过程中所产生的氨气可以回收利用。主要研究了焙烧温度、焙烧时间、反应pH值及焙烧产物用量对氨氮去除率的影响，确定了试验的最佳条件，证明用MgNH4PO4焙烧后的产物做为废水中氨氮的吸附剂是可行的。用X衍射方法研究了焙烧产物的组成，并分析了氨氮的吸附机理。

2. 材料与方法

2.1试验水样及药品

用去离子水和NH4Cl配制成氨氮质量浓度约50 mg/L的溶液作为模拟氨氮废水水样（以下简称原水），pH值在7.8左右。实际质量浓度以试验时检测为准。

主要化学药剂：MgCl2·6H2O、Na2HPO4·12H2O、NH4Cl和NaOH等，均为分析纯。2.2磷酸铵镁的制备方法

原水氨氮浓度为200mg/L，pH为11，沉淀剂为MgCL2·6H2O和Na2HPO4·12H2O，按照N、Mg、P物质的量之比为1:1.2:1加入沉淀剂，搅拌时间为10min，静置时间为10min，制得后续试验所需要的MgNH4PO4·6H2O。过滤后在烘箱中40℃烘干4h，装入试剂瓶，避光保

存。

2.3 试验方法

焙烧试验：取一定量的磷酸铵镁放入已知质量的试样袋密封。当烘箱升温到设定温度时，把试样袋放入，开始计时，计时完毕后关掉烘箱取出后在干燥器中冷却到室温后称重，计算出失重率，然后放置在干燥器中保存备用。磷酸铵镁焙烧后的产物本文中简称为焙烧产物。

吸附试验：若干烧杯分别量取200mL 模拟水样，用质量分数为5%的NaOH 溶液调节pH 到规定值，按确定的质量加入焙烧产物，用混凝搅拌仪进行搅拌，吸附时间30min ，搅拌结束后静置沉淀10min ，测量上清液的pH 值和氨氮浓度。用纳氏试剂分光光度法测定上清液的剩余氨氮质量浓度，并计算氨氮去除率，即氨氮在吸附前的初始质量浓度和吸附后的剩余质量浓度之差与反应前初始质量浓度的百分比。

3. 结果与讨论

3.1 焙烧试验

3.1.1 焙烧温度的影响

将磷酸铵镁在60～140℃焙烧2h 后称重并计算失重率，磷酸铵镁的失重率与焙烧温度的关系如图1所示。

10203040505060708090100110120130140150

温度/℃

失重率/%

图1 磷酸铵镁的失重率与焙烧温度的关系

Fig.1 The weight-losing rate of MAP as a function of roasting temperatures

从图1可以看出在60～90℃区间，失重率呈直线上升，但均低于40%，90～140℃区间内，失重率呈缓慢上升趋势，因为此时磷酸铵镁的分解基本完全，可能会对吸附试验的氨氮去除率有较大影响。

20406080

000000000温度/℃

氨氮去除率/%

图2 氨氮去除率与焙烧温度的关系

Fig.2 The removal rate of NH4-N as a function of roasting temperatures at different dosages

将磷酸铵镁在不同焙烧温度下焙烧2h ，在原水中添加不同用量的焙烧产物后进行吸附试验，焙烧产物不同用量时氨氮去除率随焙烧温度的变化如图2所示。从图2可以看出，随着焙烧温度的升高，氨氮去除率逐渐增加；对于同样的焙烧温度，随焙烧产物用量的增加，氨氮去除率也呈上升趋势。这表明提高焙烧温度对于改进焙烧产物的吸附性能有显著作用，同时，焙烧产物用量增加导致氨氮去除率的上升也符合吸附原理。60℃和80℃时，氨氮去除率都比较低，普遍低于70%。90～140℃温度范围内，当焙烧产物用量大于1.5g/L 时，无论升高温度还是加大焙烧产物用量，对于提高氨氮去除率作用都不明显；当焙烧产物的用量达到2g/L 以上时，氨氮去除率达到80%并基本保持不变。这表明此时焙烧产物的吸附能力基本达到饱和。

由图1和图2和可以看出，60℃时，增加焙烧产物用量对提高氨氮去除率意义不大；在100℃左右温度区间，焙烧产物的处理效果基本稳定；在此基础上焙烧温度提高到140℃，氨氮去除率只能增加5%，所以从经济技术角度考虑，选择100℃比较合理，既能节约成本，又能达到预期处理效果。 3.1.2 焙烧时间的影响

将磷酸铵镁在100℃依次焙烧0～6小时后称重并计算失重率，失重率曲线与图1所示磷酸铵镁失重率与焙烧温度关系类似。在0～2h 区间，失重率呈显著上升趋势，从0变化至40%。但2h 之后失重率基本稳定在45%左右。这说明当失重率达到45%时，再增加焙烧时间对改变失重率意义不大。

将磷酸铵镁在100℃条件下焙烧不同时间后进行吸附试验，不同焙烧产物用量时氨氮去除率与焙烧时间的关系如图3所示。从图3可以看出，氨氮去除率随着焙烧时间的增加而上升，上升到一定程度后保持稳定。焙烧时间小于1.5h ，氨氮去除效果比较差，均低于75%；当焙烧时间大于2h 时，焙烧产物用量大于1.5g/L ，氨氮去除率大致稳定在75%～90%之间。对于相同的焙烧时间，随着焙烧产物用量的增加，氨氮去除率增加。