化學(xué)沉淀法—次氯酸鈉氧化法聯(lián)合去除污水中氨氮的試驗(yàn)

李凱　劉漢湖　潘凌瀟

摘要：以100 mg/L氨氮模擬污水為研究對(duì)象，探討次氯酸鈉氧化法以及化學(xué)沉淀法脫除污水中氨氮的最佳反應(yīng)條件。結(jié)果表明，次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法單獨(dú)使用均可以在一定程度上去除污水中的氨氮；次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合使用可以提高污水中氨氮的去除率，出水達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)而言，化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法比次氯酸鈉氧化法-化學(xué)沉淀法效果更佳。

關(guān)鍵詞：次氯酸鈉氧化法；化學(xué)沉淀法；氨氮

中圖分類號(hào)： X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）03-0330-03

近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大量高濃度的含氮污水被排入水體，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[1]。水體中的氮包括有機(jī)氮、無(wú)機(jī)氮，兩者之和稱為總氮（TN）。有機(jī)氮包括蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類化合物、硝基化合物等。無(wú)機(jī)氮包括氨氮（NH3-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）。由于氨氮是氮循環(huán)的核心，同時(shí)，氨氮一般要經(jīng)過硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮才能轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)?，所以氮素大部分是由氨氮轉(zhuǎn)化而來(lái)。污水中氨氮去除方法包括物理方法、化學(xué)方法、生物方法等。雖然每種處理技術(shù)都能有效地去除氨氮，但是實(shí)際應(yīng)用于污水的處理方法應(yīng)具有應(yīng)用方便、處理性能穩(wěn)定、適用于污水水質(zhì)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。本研究采用次氯酸鈉氧化法及化學(xué)沉淀法處理污水，并比較2種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為氨氮污水處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原理

1.1.1 次氯酸鈉氧化法 向含氨氮的污水中加入次氯酸鈉后，次氯酸、次氯酸根離子能夠與水中的氨反應(yīng)產(chǎn)生一氯胺、二氯胺、三氯胺。由于三氯胺在pH值<5.5條件下才能穩(wěn)定存在，而且在水中溶解度很低，所以天然水中幾乎不存在三氯胺。只要次氯酸鈉劑量足夠，就可以通過一系列反應(yīng)將水中的氨氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)狻?/p>

1.1.2 化學(xué)沉淀法 化學(xué)沉淀法是指向污水中投加Mg2+、PO43+，使其與污水中的氨氮生成難溶的磷酸銨鎂沉淀物，從而將污水中的氨氮脫除[2]?；瘜W(xué)沉淀法中常用的鎂鹽試劑有MgO、MgCl2、MgSO4，以Na2HPO4、NaH2PO4、H3PO4作為磷酸根的來(lái)源。但是H3PO4與MgO 僅在局部發(fā)生接觸，反應(yīng)生成膠狀的Mg3（PO4）2或Mg（OH）2，且MgO是難溶的氧化物，致使氨氮去除率低[3]。由于相同質(zhì)量的NaH2PO4·2H2O對(duì)氨氮去除率略低于Na2HPO4·12H2O，因此，本試驗(yàn)主要選用Na2HPO4·12H2O、MgCl2·6H2O作為沉淀劑。

1.2 試劑與儀器

氯化銨、濃硫酸、硫代硫酸鈉、磷酸氫二鈉、氯化鎂、碘化鉀、可溶性淀粉等試劑均為分析純，次氯酸鈉（有效氯含量10%）。FA2004N電子天平、pH410A型酸度計(jì)、752型紫外光柵分光光度計(jì)、HJ-6多頭磁力加熱攪拌器。

1.3 模擬污水的配制

稱取0.763 8 g氯化銨，在100～105 ℃下干燥2 h，溶于 2 000 mL 水中，配制成濃度為100 mg/L的模擬污水。

1.4 方法

采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮含量，采用碘量法測(cè)定有效氯含量，采用酸度計(jì)測(cè)定pH值。

1.4.1 次氯酸鈉氧化法 將次氯酸鈉溶液與氨氮加入污水水樣中，用HJ-6多頭磁力加熱攪拌器攪拌一段時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，用淀粉-碘化鉀試紙測(cè)試廢水中是否含有游離氯，若含有游離氯，可以向經(jīng)處理的污水中加入適量的3.5 g/L硫代硫酸鈉溶液以消除游離氯。

1.4.2 化學(xué)沉淀法 將Na2HPO4·12H2O與MgCl2·6H2O投放到污水中，用10%NaOH溶液與10%HCl溶液調(diào)節(jié)污水pH值，用HJ-6多頭磁力加熱攪拌器攪拌2 h，使之與氨氮充分反應(yīng)生成磷酸銨鎂，靜置2 h左右，取上清液測(cè)定污水中氨氮的含量[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 次氯酸鈉氧化法

2.1.1 氯與氨氮的量比對(duì)污水中氨氮去除率的影響 理論上，當(dāng)氯與氨氮的量比為1.5時(shí)可以將氨氮氧化為氮?dú)?，但是?shí)際應(yīng)用中常受污水中其他因素的影響，氯與氨氮的量比往往會(huì)偏離1.5。在室溫且pH值為自然狀態(tài)下，控制反應(yīng)時(shí)間為20 min，探究氯與氨氮的量比對(duì)污水中氨氮去除率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)氯與氨氮的量比為12～1.7時(shí)，隨著氯與氨氮的量比的增大，氨氮的去除率不斷提高；當(dāng)氯與氨氮的量比為1.7時(shí)，氨氮去除率達(dá)63.6%；當(dāng)氯與氨氮的量比大于1.7時(shí)，氨氮的去除率上升較慢。因此，建議氯與氨氮的量比為1.7。

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)污水中氨氮去除率的影響 在室溫且pH值為自然狀態(tài)下，當(dāng)氯與氨氮的量比為1.7時(shí)，研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)污水中氨氮去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，氨氮去除率有所提高，但是提高緩慢。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由20 min延長(zhǎng)至60 min時(shí)，氨氮去除率僅由63.6%提高到68.1%。從節(jié)能角度考慮，反應(yīng)時(shí)間為 20 min較為合適。

2.1.3 pH值對(duì)污水中氨氮去除率的影響 室溫下，反應(yīng)時(shí)間為20 min，氯與氨氮的量比為1.7時(shí)，研究pH值對(duì)污水中氨氮去除率的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著pH值的上升，氨氮的去除率呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)pH值為7～9時(shí)氨氮去除率較高。當(dāng)pH值大于9時(shí)，氨氮的去除率下降較快。因此，最適pH值為7～9，即可以選擇自然水體。次氯酸鈉氧化法能夠有效去除污水中的氨氮，與傳統(tǒng)的氯系氧化劑液氯相比，使用次氯酸鈉作為氧化劑不會(huì)產(chǎn)生氯氣外泄的危險(xiǎn)[5]，而且可進(jìn)一步減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。但是，水體中的其他物質(zhì)也會(huì)消耗部分有效氯，影響處理效果[6]。

2.2 化學(xué)沉淀法

2.2.1 藥劑配比對(duì)污水中氨氮去除率的影響 溶液中反應(yīng)離子的超飽和度是影響晶核形成的主要原因，適度投加鎂鹽、磷酸鹽可以進(jìn)一步去除氨氮[7]。因此，n（Mg） ∶ n（N）固定為1.1，pH值為9.0，反應(yīng)時(shí)間為4 h，改變磷酸鹽的投加量以確定最佳的n（P） ∶ n（N）值，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)n（P） ∶ n（N）為1.2時(shí)，氨氮去除率最高，達(dá)到了18.1%，以后隨著n（P） ∶ n（N）的增加，氨氮去除率有下降的趨勢(shì)。因此，n（P） ∶ n（N）為1.2，pH值為9.0，反應(yīng)時(shí)間為4 h，改變鎂鹽的投加量以確定最佳的n（Mg） ∶ n（N）值，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，當(dāng)n（Mg） ∶ n（N）為1.5時(shí)，氨氮去除率達(dá)28.8%。由此可知，最佳投加量確定為n（Mg） ∶ n（N） ∶ n（P）為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2。

2.2.2 pH值對(duì)污水中氨氮去除率的影響 將投加量控制為n（Mg） ∶ n（N） ∶ n（P）為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2，反應(yīng)時(shí)間4 h，在不同pH值條件下測(cè)定氨氮的去除率，因?yàn)榱姿徜@鎂為堿性鹽，在酸性條件下完全溶解[8-9]，所以pH值取值范圍為8.0～140，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)pH值為9.0～11.0時(shí)，氨氮的去除

效果較好，當(dāng)pH值為10.0時(shí)氨氮去除率達(dá)到54.4%。當(dāng)pH值小于8.0時(shí)，僅有少量沉淀生成。當(dāng)pH值大于11.0時(shí)，沉淀物為乳膠狀，可以判定此時(shí)生成的沉淀物不是磷酸銨鎂。化學(xué)沉淀法操作方便，氨氮去除率較高，生成的磷酸銨鎂沉淀可以回收，作為緩釋化肥[10]。但是化學(xué)沉淀法反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用較高。

2.3 次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合脫除污水中的氨氮

從以上試驗(yàn)可以看出，次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法對(duì)于污水中的氨氮都有一定去除效果，單獨(dú)使用其中一種方法，均不能達(dá)到氨氮的排放指標(biāo)，因此，筆者嘗試聯(lián)合采用次氯酸鈉氧化法以及化學(xué)沉淀法脫除污水中的氨氮。

2.3.1 化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法脫除污水中的氨氮 n（Mg） ∶ n（N） ∶ n（P）為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2，pH值為10.0，在 HJ-6 多頭磁力加熱攪拌器中攪拌2 h充分反應(yīng)，沉淀2 h后取上清液，加入次氯酸鈉溶液氧化脫除廢水中剩余的氨氮，20 min 后向廢水中加入適量的3.5 g/L硫代硫酸鈉溶液以消除游離氯，對(duì)污水中的氨氮含量進(jìn)行測(cè)定（表1）。結(jié)果表明，處理后的廢水達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（<25 mg/L）。

由此可知，次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合使用可以提高污水中氨氮的去除率，處理后的廢水能夠達(dá)到 GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言，化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法去除效果更好。

3 結(jié)論

本研究表明，次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法均可以在一定程度上去除污水中的氨氮。次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合使用可以提高污水中氨氮的去除率，處理后的廢水能夠達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言，化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法去除效果更好。

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