沸石和活性炭吸附生活污水中CODCr和NH3-N的試驗

劉子姣，王茜

（山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801）

沸石和活性炭吸附生活污水中CODCr和NH3-N的試驗

劉子姣，王茜

（山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801）

選擇具備較強吸附性能的活性炭和沸石作為試驗材料，以生活污水為研究對象，將吸附劑投加量和吸附時間作為影響要素，研究確定所選原料去除生活污水中CODCr和NH3-N的技術(shù)參數(shù)。結(jié)果表明，隨著沸石和活性炭投加量的增加，NH3-N和CODCr去除率增加，當達到一定投加量的時候，去除率逐漸趨于平衡；隨著吸附劑與污水水樣接觸時間的增加，沸石和活性炭對CODCr和NH3-N的去除率呈現(xiàn)先升高后平穩(wěn)的趨勢。綜合考慮成本等經(jīng)濟因素，沸石投加量為100 g/L（50 g/500 mL）時，對CODCr和NH3-N的吸附效果較好，去除率分別為71.41%和49.68%，接觸時間2 h為宜；活性炭投加量為400 mg/L（200 mg/500 mL）時，對CODCr和NH3-N的吸附效果較好，去除率分別為81.59%和63.28%，接觸時間1 h為宜。

活性炭；沸石；去除率；CODCr；NH3-N

隨著我國工業(yè)化的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，每年大量的含有氨氮和有機污染物的工業(yè)廢水和生活污水排入水庫、河流等與人的生產(chǎn)生活息息相關(guān)的水系統(tǒng)，不僅給天然水體造成赤潮等富營養(yǎng)化災害，也對水中的生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，更對人類的健康產(chǎn)生一定的潛在危害。

水體中的氨氮在一定的條件下會轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，所以，長期攝入含有氨氮的飲用水，氨氮轉(zhuǎn)化成的亞硝酸鹽會和人體中的蛋白質(zhì)等物質(zhì)結(jié)合，從而形成具有很強致癌作用的亞硝胺?；瘜W需氧量（COD）反映了水樣受還原性污染物質(zhì)如亞鐵鹽、亞硝酸鹽、硫化物及有機化合物等的污染水平?；谒w被有機物污染的廣泛性和普遍性，COD也是廢水中有機污染物檢測相對含量的總體指示標準之一[1]。

活性炭外觀色澤呈黑色，為一種多孔徑炭化物；沸石無毒無味，并且對于環(huán)境基本沒有影響。沸石價格低廉、熱穩(wěn)定性能好、耐酸耐堿，結(jié)合中小型污水處理廠的流程結(jié)構(gòu)特點，也可以在污水深度處理上有較大發(fā)展[2-11]。

本試驗旨在研究采用沸石和活性炭處理生活污水的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，通過試驗研究這2種吸附材料對生活污水中的CODCr和NH3-N的去除效果，比較這2種材料的吸附優(yōu)劣性，為城市生活污水中化學需氧量和氨氮的去除提供比較有效的途徑。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料：沸石和活性炭，市場購置。

供試污水：選用的生活污水采自山西農(nóng)業(yè)大學污水處理廠。水質(zhì)狀況：CODCr302.6 mg/L，NH3-N 32.41 mg/L。

1.2 試驗方法

1.2.1 沸石和活性炭的預處理將試驗選用的沸石和活性炭通過蒸餾水反復洗滌多次，以便除去備用吸附劑中所含有的泥質(zhì)、沙石等雜質(zhì)，然后再在蒸發(fā)皿上均勻鋪開，放入烘箱于100～105℃下烘1 h，利用從外部加熱提高溫度，增大比表面積，提高孔隙率，之后取出讓其冷卻至室溫，以備后續(xù)使用。

1.2.2 沸石、活性炭投加量試驗試驗設(shè)沸石用量分別為10，20，30，40，50，60 g等6個處理；活性炭用量分別為10，50，100，150，200，300 mg等6個處理。在常溫（20～30℃）條件下，分別將過0.177 mm篩的天然沸石和活性炭分別加到裝有500 mL，NH3-N質(zhì)量濃度為32.41 mg/L，CODCr質(zhì)量濃度為302.6 mg/L的試驗水樣的三角瓶中，在磁力攪拌器上以80 r/min快速攪拌30 min，之后靜置沉降約30 min，然后取上清液，經(jīng)過濾裝置過濾后，測定供試污水中的CODCr和NH3-N含量[12]。

1.2.3 接觸時間試驗在常溫（20～30℃）條件下，使用分析天平分別稱量過0.177 mm篩的沸石30 g，共8份，過0.177 mm篩的活性炭200 g，共6份，然后再量取等量500 mL供試污水水樣14份，將稱取的等量沸石與活性炭樣品與供試污水水樣混合接觸，在磁力攪拌器上攪拌，記錄不同的接觸時間，之后靜置沉降約30 min，然后取上清液過濾。測定濾液的NH3-N濃度，計算NH3-N去除率，分析接觸時間與NH3-N去除率的關(guān)系。

1.3 測定項目及方法

測定NH3-N采用納氏試劑光度法[13]；化學需氧量采用重鉻酸鉀法檢測[14]。

CODCr，NH3-N去除率的計算：先采用重鉻酸鉀法測定其CODCr值或采用納氏試劑光度法測定其NH3-N值，記為C1，然后按照相應的工藝條件進行活性炭或沸石處理，再測定水樣的CODCr及NH3-N濃度，記為C2。CODCr及NH3-N去除率（K）的計算公式為：K＝（C1－C2）/C1×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 沸石吸附生活污水中CODCr和NH3-N的試驗結(jié)果

2.1.1 沸石的投加量對去除污水中CODCr和NH3-N的影響由表1可知，沸石用量在10～60 g變化時，通過沸石吸附后的污水上清液濾液中的CODCr質(zhì)量濃度在86.5～216.9 mg/L變化，CODCr去除率為28.32%～71.41%；加人沸石后，污水的NH3-N和CODCr的濃度明顯降低，沸石投加量繼續(xù)增加，生活污水中CODCr的去除率仍逐漸升高。

表1 不同沸石的投加量對廢水CODCr和NH3-N的凈化效果

沸石用量在10～60 g變化時，沸石處理后的污水上清液濾液中的NH3-N質(zhì)量濃度在16.31～26.90 mg/L變化，而NH3-N去除率則在17.00%～49.68%；加入沸石可以顯著降低污水的NH3-N濃度，并且在沸石投加量小于50 g時，增加沸石的投入量，NH3-N的去除率也相應提升；當沸石的投入量為60 g時，NH3-N的去除率比投加量為50 g的沸石大約僅僅提升了0.96%；隨著沸石投加量的持續(xù)增加，NH3-N去除率的提高并不十分明顯，甚至還有下降的可能。

因為在一定試驗條件下，當沸石用量在一個比較少的情況下，其達到平衡吸附態(tài)時所吸附的NH3-N也相應很少，所以，去除率小；隨著吸附劑用量的不斷加大，平衡吸附態(tài)下沸石吸附的NH3-N的量同樣會慢慢增加，NH3-N的去除效果相應變得明顯；然而，如果沸石用量超過一定的限度，沸石難以與供試污水充分地接觸，這樣反而會導致沸石去除NH3-N的性能逐漸變小[15]。所以，沸石在處理含NH3-N生活污水時，在試驗初期逐步增大沸石投加量，NH3-N去除率的增加比較顯著，隨著沸石飽和吸附值的接近，繼續(xù)增大沸石投加量，NH3-N去除率的變化也不會明顯。若是繼續(xù)加大沸石用量沒有實質(zhì)利用價值。因此，考慮原料成本等客觀條件，沸石處理NH3-N投加量宜為100 g/L（50 g/500 mL）。

2.1.2 吸附時間對沸石去除污水中NH3-N的影響

從表2可以看出，當接觸時間在0.5～4.0 h時，通過沸石吸附后的污水過濾后上清液的NH3-N質(zhì)量濃度在18.06～23.48 mg/L變化，NH3-N去除率為27.55%～46.43%，隨著吸附劑與污水水樣接觸時間的增加，沸石對NH3-N的去除率呈現(xiàn)先升高后平穩(wěn)的趨勢。2 h之前NH3-N去除率隨接觸時間的增加而逐漸提升，2 h時達到了高點，為44.77%，2 h之后的NH3-N去除效果改變不是十分明顯，3 h時NH3-N去除率比2h的去除率僅僅增加了1.66百分點，3 h以后的NH3-N吸附率甚至逐步降低。可能是因為沸石在吸附氨離子時，到達一定量后會達到飽和，這個時候的沸石-污水體系達到了離子交換吸附平衡[16]，繼續(xù)延長接觸時間后沸石對NH3-N的去除效果并不明顯，沒有實際意義。由此可以看出，沸石對NH3-N的去除具有先快速吸附、后緩慢平衡[17]的特點。

表2 不同吸附時間下沸石吸附廢水中NH3-N的結(jié)果

2.2 活性炭吸附生活污水中CODCr和NH3-N的試驗結(jié)果

2.2.1 活性炭投加量對去除污水中CODCr和NH3-N的影響由表3可知，活性炭用量在10～300 mg變化時，活性炭吸附后污水上清液濾液中的CODCr質(zhì)量濃度在53.2～203.9 mg/L變化，CODCr去除率則在32.62%～82.42%變化；加入活性炭能夠顯著降低生活污水中的CODCr，并且當活性炭的投加量小于200 mg時，隨活性炭用量增大，CODCr的去除率也相應增大；當活性炭用量為300 mg時，CODCr去除率比活性炭用量為200 mg時只提升了1.02百分點；再增加活性炭的用量，CODCr的去除率沒有太大的改變，甚至有降低的趨勢。所以，在進行活性炭吸附生活污水中CODCr試驗時，在最開始的階段增加吸附劑用量，CODCr去除率增大的效果明顯，在逐漸接近活性炭飽和吸附值的時候，繼續(xù)增加活性炭投加量，CODCr的去除率提高效果則不明顯。

表3 不同活性炭用量對廢水中CODCr和NH3-N的凈化效果

活性炭用量在10～300 mg變化時，通過活性炭吸附后的污水上清液濾液中NH3-N質(zhì)量濃度在9.3～25.5 mg/L變化，NH3-N去除率為21.32%～71.31%；加入活性炭可以顯著降低污水的NH3-N，且隨著活性炭用量的增加，污水中的NH3-N去除率逐漸增高?；钚蕴勘憩F(xiàn)出了對NH3-N去除的穩(wěn)定性[18-21]。

2.2.2 吸附時間對活性炭去除污水中NH3-N的影響從表4可以看出，隨著活性炭同廢水水樣接觸時間的逐漸增加，活性炭對廢水中NH3-N的去除率相應增加，當接觸時間達到1 h后，NH3-N的去除率增加的趨勢不明顯，主要原因是由于活性炭的吸附容量隨著吸附時間的推移逐漸趨近飽和。在吸附反應初期的30 min內(nèi)，NH3-N的去除速率比較快，這個時段中活性炭隨時間推移對NH3-N吸附量的增加比較明顯；在1 h之后，活性炭吸附速率變得平緩，吸附效果隨時間推移的變化不明顯；在1.5 h時，活性炭對NH3-N的去除已經(jīng)基本達到平衡狀態(tài)。

表4 不同吸附時間下活性炭吸附廢水中NH3-N的試驗結(jié)果

3 結(jié)論

本試驗進行了活性炭和沸石去除生活污水中NH3-N和CODCr效果的研究，結(jié)果表明，沸石處理污水中NH3-N的試驗整體具有快速吸附、緩慢平衡的特點；沸石投入量增加，NH3-N去除率增加，當達到一定投入量時，去除率趨于平衡。沸石吸附CODCr，隨著沸石用量的增加，污水中的CODCr去除率逐漸增高。隨著吸附劑與污水水樣接觸時間的增加，沸石對NH3-N的去除率呈現(xiàn)先升高后平穩(wěn)的趨勢。這是由于沸石的吸附容量在投加量的不斷增加下趨于飽和的原因。綜合考慮成本等經(jīng)濟因素，沸石投加量為100 g/L（50 g/500 mL）時，對CODCr，NH3-N的去除率分別為62.79%，49.21%，接觸時間為2 h時，效果最佳。

活性炭對于CODCr和NH3-N的吸附也是隨著投加量的增加，對污染物的吸附量增加，當達到一定投加量時，去除率趨于穩(wěn)定，且在同等條件下，活性炭對于CODCr的去除率大于對NH3-N的去除率，可見，活性炭對于NH3-N的吸附能力較弱。隨著吸附劑與污水水樣接觸時間的增加，活性炭對NH3-N的去除率呈現(xiàn)先升高而后平穩(wěn)的趨勢。這是由于活性炭的吸附容量隨著投加量不斷增加趨于飽和的原因，綜合污染物質(zhì)去除效率和經(jīng)濟因素來看，對于凈化城鎮(zhèn)居民生活污水，活性炭投加量宜為400 mg/L（200 mg/500 mL），對CODCr和NH3-N的去除率分別為81.59%，63.28%，接觸時間以1 h為宜。

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Experiment Research on the CODCrand NH3-N Adsorption of Domestic Sewage by Zeolite and Activated Carbon

LIU Zi-jiao，WANG Qian
（College of Resources&Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

This paper was in the process treatment of domestic sewage and chooses strong adsorptive zeolite and active carbon as adsorptive material.The effects of adsorption were investigated in different dosage and adsorption time.The thesis was to examine the selected materials to the waste of CODCrand NH3-N removal technology parameters by using experiments.The results showed that CODCrand NH3-N removal increased with the increase in the dosage of activated carbon and zeolite.When the amount of the dosage was reached,the removal rate tended to balance.With the increase of the adsorption time,the removal rate of zeolite and activated carbon increased firstly and then balance.Considering the cost and other economic factors,appropriate dosage of zeolite was 100 g/L,of CODCrand NH3-N removal rates were 71.41%and 49.68%,the optimum contact time was 2 h;appropriate dosage of activated carbon was 400 mg/L,of CODCrand NH3-Nremoval rates were 81.59%and 63.28%,respectively,the optimum contact time was 1 h.

activated carbon;zeolite;removal efficiency;CODCr;NH3-N

X799.3

A

1002-2481（2016）01-0053-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.01.15

2015-10-30

劉子姣（1979-），女，山西太谷人，講師，碩士，主要從事水、土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價研究及教學工作。