低濃度氨氮廢水處理實驗研究

魯璐 祁貴生 王 煥

（中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

低濃度氨氮廢水處理實驗研究

魯璐 祁貴生 王 煥

（中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

采用化學(xué)沉淀法和折點氯化法對低濃度氨氮廢水進(jìn)行處理，分別考察了兩種方法中不同pH、反應(yīng)時間、氨氮初始濃度以及反應(yīng)物投加量對氨氮去除率的影響。結(jié)果表明，化學(xué)沉淀法的最佳操作條件為pH=10.5，反應(yīng)時間在30min左右，n(NH4+):n(Mg2+):n(PO43-) =1:1.2:1.2；折點氯化法的最佳操作條件為pH=7，反應(yīng)時間以10～15min為宜，m(Cl-):m(NH4+)在6～7之間均可；在處理低濃度氨氮廢水方面兩種方法去除率均可達(dá)到80%以上，但化學(xué)沉淀法對中高濃度氨氮廢水的處理更具優(yōu)勢，折點氯化法則只適用于處理低濃度氨氮廢水。

氨氮廢水 化學(xué)沉淀 折點氯化

氨氮廢水是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素之一，不僅導(dǎo)致藻類及其他水生生物大量繁殖，致使水體嚴(yán)重缺氧，而且可滋生有害生物使魚類中毒，間接危害人類生命健康[1]。目前，處理氨氮廢水的方法主要有生物硝化反硝化法、反滲透法、氨吹脫法、化學(xué)沉淀法、擇性離子交換法、電化學(xué)氧化法以及折點氯化法等[2,3,4]。國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量工作，如徐志高[5]、羅領(lǐng)先[6]、崔樹軍[7]、Uludag S[8]等。本文利用化學(xué)沉淀法和折點氯化法對低濃度氨氮廢水的去除進(jìn)行了實驗研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

化學(xué)沉淀法：利用某些復(fù)合銨鹽難溶于水的特性，可將廢水中的NH4+轉(zhuǎn)為沉淀去除[9]。在氨氮廢水中投加一定比例的磷鹽和鎂鹽，在25℃時，若[Mg2+][NH4+][PO43–]>2.5×10–13則可生成Mg(NH4)PO4沉淀。其反應(yīng)方程式如下：

折點氯化法：折點氯化法是投加過量的氯或次氯酸鈉，使廢水中氨完全氧化為N2的方法[10,11]。其反應(yīng)可表示為：

1.2 實驗儀器及試劑

實驗儀器：pHS-3C型pH計（上海日島儀器有限公司）；JJ-1型電動攪拌器（城東宏業(yè)實驗儀器廠）；721W分光光度計（上海精密儀器儀器有限公司）。

實驗試劑：實驗室自制模擬氨氮廢水；其他試劑均為分析純。

1.3 實驗方法

化學(xué)沉淀法：稱取一定量的模擬廢水，調(diào)節(jié)pH至預(yù)定值，Mg2+:NH4+:PO43-按一定的摩爾比加入Na2HPO4·12H2O和MgCl2·6H2O，打開攪拌器進(jìn)行反應(yīng)。攪拌一定時間后，停止攪拌，靜置15min，然后取上層清液至比色管，稀釋后加入納氏試劑和酒石酸鉀鈉溶液，靜置10min后在分光光度計下測量，計算氨氮濃度及去除率。

折點氯化法：稱取一定量的模擬廢水，調(diào)節(jié)pH至預(yù)定值，Cl-:NH4+按一定的質(zhì)量比加入次氯酸鈉，反應(yīng)一定時間后，靜置，然后取上層清液至比色管，稀釋后加入納氏試劑和酒石酸鉀鈉溶液，靜置10min后在分光光度計下測量，計算氨氮濃度及去除率。

1.4 分析方法

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實驗采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行氨氮濃度的檢測。以游離態(tài)的氨或銨離子等形式存在的氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色的絡(luò)合物，該絡(luò)合物的吸光度與氨氮含量成正比，在分光光度計下于波長420nm處測定吸光度，將所得吸光度與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對照，即可知道待測溶液中的氨氮濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對氨氮去除率的影響

化學(xué)沉淀法：圖1為考察的不同pH對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖1可知，氨氮去除效率隨pH變化極為明顯，當(dāng)pH增加到10.5時，氨氮去除率最高達(dá)到84.38%。

在非堿性條件下，反應(yīng)產(chǎn)物主要為可溶性的Mg(H2PO4)2；在堿性較弱條件下，反應(yīng)可生成大量的Mg(NH4)PO4沉淀；在堿性較強的條件下會發(fā)生副反應(yīng)，生成Mg(OH)2或Mg3(PO4)2沉淀，并隨著pH的進(jìn)一步增加，大部分會轉(zhuǎn)化為NH3逸出。所以氨氮去除率隨pH的增加先升高后降低。

折點氯化法：圖2為考察的不同pH對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖2可知，隨著pH值的增加，氨氮去除率現(xiàn)增加，當(dāng)pH為7時，氨氮去除率達(dá)到最大。

當(dāng)pH較低時，不僅會發(fā)生產(chǎn)生N2的反應(yīng)，而且會生成NCl3，導(dǎo)致消耗的氯量較大。當(dāng)pH較高時，反應(yīng)會生成NHCl2，進(jìn)一步反應(yīng)會生成NHO3-，所以氨氮去除率較低。

2.2 反應(yīng)時間對氨氮去除率的影響

化學(xué)沉淀法：圖3為考察的不同反應(yīng)時間對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖3可知，在前30min，氨氮去除率隨反應(yīng)時間的增加而增加。且增加極為明顯。 30min后，氨氮去除率依然增加，但增加幅度極小。

反應(yīng)初期，氨氮濃度較高，所以反應(yīng)速度很快。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氨氮濃度越來越低，導(dǎo)致反應(yīng)速率也越來越慢，反應(yīng)時間超過30min后，氨氮去除率差異不大。

折點氯化法：圖4為考察的不同反應(yīng)時間對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖4可知，反應(yīng)5min后，氨氮去除率已至80%以上，至反應(yīng)進(jìn)行15min時氨氮去除率達(dá)到最大值81.38%，15min后，氨氮去除率基本上不再有大的變化。

此反應(yīng)較為迅速，基本在5min內(nèi)完全反應(yīng)，但氣體逸出需一定時間，所以可取反應(yīng)時間為10～15min。

2.3 初始濃度對氨氮去除率的影響

化學(xué)沉淀法：圖5為考察的不同模擬氨氮廢水初始濃度對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖5可知，隨著反應(yīng)物濃度增加，氨氮去除效率也有緩慢的增加，在初始濃度為500mg/L時，氨氮去除率達(dá)到84.75%。

雖然化學(xué)沉淀法適用于各種濃度氨氮廢水的處理，但其還是處理中高濃度氨氮廢水效率更高，因此在處理中高濃度廢水化學(xué)沉淀法適用較廣是有依據(jù)的。

折點氯化法：圖6為考察的不同模擬氨氮廢水初始濃度對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖6可知，與化學(xué)沉淀法相反，折點氯化法是在低濃度時反應(yīng)效率高，反應(yīng)物初始濃度為100 mg/L時，氨氮去除率達(dá)81.88%，當(dāng)濃度逐漸增加時，氨氮去除率也降低。

氨氮去除率隨氨氮初始濃度的增加而降低，可能是由于初始濃度增加使得反應(yīng)物投料增加，與此伴隨余氯增加，這對氧化反應(yīng)有一定影響。

2.4 反應(yīng)物投加量對氨氮去除率的影響

化學(xué)沉淀法：圖7為考察的不同Mg2+:NH4+:PO43-的摩爾比對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖7可知，一定范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)物增加，氨氮去除率增加，但隨著鎂鹽和磷酸鹽用量的進(jìn)一步增加，氨氮去除率逐漸降低。

在一定溫度下KC為一常數(shù)，也就是說，當(dāng)Mg2+及HPO42-濃度不斷上升時，反應(yīng)向生成MgNH4PO4的方向進(jìn)行，因而，氨氮去除率有上升趨勢。除此之外，還可用影響生成沉淀因素中的同離子效應(yīng)和溶度積規(guī)則來解釋此問題，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡后，加入Mg2+及HPO42-離子導(dǎo)致離子積大于MgNH4PO4的KSP，因而反應(yīng)會朝著生成沉淀的方向進(jìn)行，氨氮得到去除。隨著鎂鹽和磷酸鹽用量的進(jìn)一步增加，由于鹽效應(yīng)影響，殘留氨氮濃度又逐漸升高，原因在于Mg2+和HPO42-均為強電解質(zhì)，用量過多時易產(chǎn)生鹽效應(yīng)而減少了溶液中離子相互碰撞的機會，使得MAP的溶解度隨著鎂鹽和磷酸鹽用量的增大而增大，不利于氨氮的脫除。

折點氯化法：圖8為考察的不同Cl-:NH4+的質(zhì)量比對氨氮去除率的影響結(jié)果。由圖8可知，Cl-:NH4+比在5:1到6:1范圍內(nèi)時，氨氮去除率隨著當(dāng)投加量的增大而增大，質(zhì)量比為7:1時，氨氮去除率最高，達(dá)到81.44%。投加量超過7:1時，氨氮去除率逐漸隨之降低。

在一定范圍內(nèi)，增加次氯酸鈉的投加量，氨氮去除效率增加，而當(dāng)次氯酸鈉投加量過大時，溶液中NO3-和NCl3增加，使得溶液中余氯量增加，余氯增加使得氨氮去除率降低。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

對比兩種方法，若僅從主要使用的藥品上來說，化學(xué)沉淀法更為便宜，但考慮到化學(xué)沉淀法在反應(yīng)中調(diào)節(jié)pH還需加入堿，堿的費用也是一筆開支，而折點氯化法則可以用通入氯氣的方法來替代次氯酸鈉以降低成本，所以，實際兩種方法的成本差距并沒有那么大，而在消耗時間上，折點氯化法遠(yuǎn)快于化學(xué)沉淀法。綜上，折點氯化法和化學(xué)沉淀法在處理低濃度氨氮廢水上各有優(yōu)缺點，實際生產(chǎn)中可根據(jù)具體情況加以選擇。表1為兩種處理方法優(yōu)缺點對比。

4 結(jié)論

本實驗采用化學(xué)沉淀法和折點氯化法處理模擬氨氮廢水，以廢水中氨氮去除效率為表征，考察了pH值、反應(yīng)時間、氨氮初始濃度、反應(yīng)物投加量對氨氮去除效果的影響，實驗結(jié)果表明，上述兩種方法對低濃度氨氮廢水處理均有不錯的效果。得到的主要結(jié)論如下：

a）在適宜的工藝條件下，化學(xué)沉淀法和折點氯化法對氨氮去除效率均達(dá)到80%以上。用這兩種方法來處理低濃度氨氮廢水技術(shù)上是可行的。

b）化學(xué)沉淀法的最佳反應(yīng)pH值為10.5，最佳反應(yīng)物投加量為n(NH4+):n(Mg2+):n(PO43-) =1:1.2:1.2，反應(yīng)時間在30min左右最佳，且化學(xué)沉淀法的氨氮去除效率隨著溶液初始濃度的增加而增加。故該種方法在處理中高濃度廢水時更有優(yōu)勢。

c）折點氯化法的最佳反應(yīng)pH值為7，最佳反應(yīng)物投加量m(Cl-):m(NH4+)在6～7之間均可，反應(yīng)時間以10～15min為宜，氨氮去除率隨著溶液初始濃度的增加而降低。故該種方法更適宜處理中低濃度氨氮廢水。

d）經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明，化學(xué)沉淀法成本較低，在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中更有優(yōu)勢。

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Experimental Study on Treatment of Low Concentrated Ammonia-nitrogen Wastewater

Lu Lu, Qi Guisheng, Wang Huan
(College of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Low concentrated ammonia-nitrogen was treated by chemical precipitation process and add chlorine at turning point process. Effect on removal rate of ammonia-nitrogen by different operation conditions such as pH, reaction time, initial ammonia-nitrogen concentration, reactants amount was studied. The results indicated that the best operation conditions is at pH=10.5, reaction time lasting 30 min, n(NH4+):n(Mg2+):n(PO43-) =1:1.2:1.2 for chemical precipitation process and at pH=7, reaction time lasting 10～15 min, m(Cl-):m(NH4+)= 6 to 7 for add chlorine at turning point process. Removal rates of ammonia-nitrogen can reach to 80% by both processes. However chemical precipitation process has more advantages to treat medium-high concentration ammonia-nitrogen wastewater and add chlorine at turning point process is only applied to low concentration ammonia-nitrogen wastewater.

ammonia-nitrogen wastewater; chemical precipitation; add chlorine at turning point

X703.1

A

T1672-8114(2013)01-042-05

魯璐（1971—），女，工程碩士