天然沸石去除廢水中氨氮的研究

方佳麗+李榮寨

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量含氨氮的生活和工業(yè)廢水排入天然水體，造成環(huán)境污染日益嚴(yán)重。天然沸石由于具有較好的吸附和離子交換性能，被應(yīng)用于廢水中氨氮的去除。本文通過單因素實(shí)驗(yàn)法，研究分析了沸石粒徑、投加量、振蕩時(shí)間、PH值、再生等因素對(duì)氨氮去除率的影響。研究結(jié)果表明，天然沸石在處理模擬低濃度氨氮廢水時(shí)，廢水氨氮濃度≤100mg/L，沸石粒徑>60目，投加量為50g/L，振蕩時(shí)間為1h，PH值為4-8時(shí)效果最佳；實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在處理實(shí)際生活和工業(yè)的氨氮尾水時(shí)同樣具備較好的去除效果，且循環(huán)3次再生使用后天然沸石仍具有一定的氨氮去除能力。

關(guān)鍵詞：天然沸石；生活廢水；工業(yè)廢水；氨氮廢水

Abstract： With the rapid development of social economy， a large number of industrial and domestic wastewater containing ammonia nitrogen discharged into natural water， Environmental pollution is becoming increasingly serious. The natural zeolite has good adsorption and ion exchange properties， study on the application of nature zeolite in treatment of ammonia nitrogen wastewater has been carried out. Through single factor experiment method， research and analysis of the particle size of zeolite， dosage，oscillation time， pH value， zeolite recycling study on ammonia removal. The results show that nature zeolite removal ammonia nitrogen from simulation wastewater， the condition of ammonia nitrogen concentration is less than 100mg/L， the particle size of zeolite is more than 60 mesh， dosage is 50g/L， oscillation time is 1 hour， pH value is 4-8 has the best effect； The experimental results also show that the treatment process has a better effect in the treatment of the actual life and industrial ammonia nitrogen tail water. And the natural zeolite still has a certain removal capacity after 3 cycles.

Key words： nature zeolite； domestic wastewater； industrial wastewater； ammonia nitrogen wastewater.

前言

水環(huán)境中的氨氮是指以游離氨（NH3）和銨離子（NH4+）形式存在的氮。在我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)中，產(chǎn)生大量的含氮的生活生產(chǎn)廢水，會(huì)引起水體富營養(yǎng)化、降低飲用水質(zhì)量、影響污水回用系統(tǒng)的正常運(yùn)行、危害人體健康等[1]。

目前，國內(nèi)外氨氮廢水的處理方法大致可分為兩類：物化法和生物法[2]。物化法主要有吸附、離子交換、吹脫、折點(diǎn)加氯、化學(xué)沉淀等；生物法主要有硝化、反硝化和藻類養(yǎng)殖等。

其中吸附、離子交換法具有占地面積小、工藝簡單、處理成本低、高效快速和可再生等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的除氨氮方法。

我國是一個(gè)沸石資源相當(dāng)豐富的國家，沸石總儲(chǔ)量約40億噸，其中東部地區(qū)是我國沸石的主要產(chǎn)地，比較著名的有浙江省縉云縣沸石礦區(qū)、山東省萊陽縣絲光和斜發(fā)沸石礦區(qū)等[3]。

天然沸石是含水多孔鋁酸鹽的總稱，具有吸附、離子交換等性能，且價(jià)格低廉、來源廣泛，因此被作為吸附劑、離子交換劑用于廢水中氨氮的去除[4]。

由于考慮到天然沸石容易吸附飽和，同時(shí)再生實(shí)驗(yàn)又存在著一定的復(fù)雜性、困難性，所以本課題主要研究了天然沸石去除模擬低濃度氨氮廢水中氨氮的性能，即通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)法，分析沸石粒徑、投加量、振蕩時(shí)間、PH值、再生次數(shù)等因素對(duì)沸石性能的影響，從而篩選出最優(yōu)組合條件，最終在實(shí)際的生活尾水和工業(yè)尾水中驗(yàn)證在此最優(yōu)組合條件下天然沸石對(duì)氨氮的去除性能，為進(jìn)一步對(duì)天然沸石進(jìn)行改性，提升其吸附去除能力提供參考背景值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

天然沸石：取自浙江縉云的天然斜發(fā)沸石（典型晶胞組成為：Na6[（AlO2）6（SiO2）30] ·24H2O），其主要物理特性為：Si/Al為4.2-5.3，粒徑為2-3cm，孔隙率為30-40%，動(dòng)力學(xué)直徑為3.9。

實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑碘化鉀、氫氧化鉀、二氯化汞、酒石酸鉀鈉等均為分析純，氨氮標(biāo)準(zhǔn)液用無氨水配置。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

752N紫外可見分光光度計(jì)、722N可見光光度計(jì)、恒溫振蕩器、PH計(jì)、電子分析天平。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過單因素實(shí)驗(yàn)法，研究分析沸石粒徑、投加量、振蕩時(shí)間、PH值等因素對(duì)氨氮去除率的影響，即在改變一個(gè)單因素的條件下，控制其他因素條件不變的情況下，篩選出最優(yōu)組合條件，同時(shí)用最優(yōu)組合條件對(duì)實(shí)際的生活尾水和工業(yè)尾水進(jìn)行氨氮去除率的測(cè)試以及沸石再生循環(huán)利用去除氨氮效果的研究。

1.4 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法：HJ5352009水質(zhì)氨氮的測(cè)定納氏試劑分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 天然沸石粒徑的影響

分別取20-40目，40-60目，60-80目，80-150目，>150目天然沸石3g，放入錐形瓶中，再將配置好的濃度為100mg/L的氨氮模擬液（PH=6.38）100mL倒入錐形瓶中，將其混勻，在常溫下振蕩2h后，過濾取上清液，測(cè)定模擬液中剩余氨氮的濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由上圖可知，天然沸石目數(shù)越大（粒徑越?。?，沸石對(duì)氨氮去除效率越好，>150目粒徑的沸石去除率可達(dá)87.08%，但為了更好的模擬實(shí)際工程中廢水的處理，本實(shí)驗(yàn)選用>60目粒徑的沸石作為最佳沸石粒徑。

2.2 天然沸石投加量的影響

分別稱取粒徑>60目的天然沸石1g，3g，5g，7g于錐形瓶中，各加入100mL濃度為50mg/L的氨氮模擬水樣（PH=6.89），在常溫下振蕩2h后，過濾取上清液測(cè)其剩余氨氮濃度，結(jié)果如圖2所示。

由上圖可知，對(duì)于低濃度廢水，當(dāng)投加量為50g/L時(shí)，去除氨氮的效率達(dá)到最佳，而后隨著投加量的增加，去除率逐漸下降。

2.3 振蕩時(shí)間的影響

將四份粒徑>60目的天然沸石5g和濃度為50mg/L的氨氮模擬液（PH=6.52）100mL置于錐形瓶中，在常溫下分別振蕩1h，4h，6h，8h，過濾取上清液，測(cè)定上清液剩余氨氮的含量，結(jié)果如圖3所示。

由上圖可知，振蕩時(shí)間越少，天然沸石對(duì)低濃度氨氮的吸附能力越好，隨著振蕩時(shí)間延長，沸石對(duì)氨氮去除率逐漸下降，當(dāng)振蕩時(shí)間為1h時(shí)，去除率可達(dá)95.95%.所以對(duì)于實(shí)際低濃度廢水選擇振蕩時(shí)間1h最佳。

2.4 廢水PH值的影響

取100ml濃度為50mg/L的氨氮模擬液四份，用1mol/L稀HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)其PH，使PH分別為1.85，3.44，5.85，7.49，然后分別投加5g沸石，在常溫下振蕩2h后過濾，取上清液測(cè)剩余氨氮濃度，結(jié)果如圖4所示。

由上圖可知，對(duì)于低濃度氨氮廢水，沸石對(duì)其去除率受PH的影響，隨著PH的增加，溶液中剩余氨氮濃度減少，去除率升高。

2.5 去除實(shí)際廢水中氨氮的研究

由于某城鎮(zhèn)污水處理廠和某工業(yè)污水處理廠的氨氮尾水未達(dá)標(biāo)排放，所以便取來部分氨氮尾水，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理。測(cè)得生活污水中尾水和工業(yè)廢水中尾水其氨氮濃度分別為11.83mg/L和26.76mg/L，在此條件下，改變投加量，從而測(cè)得不同投加量下天然沸石去除尾水中氨氮的效果。如下表1、表2、表3所示：

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，在生活尾水中，天然沸石投加量為70g/L時(shí)，氨氮去除率為93.40%，已達(dá)到很好的效果，所以對(duì)于生活尾水不再進(jìn)行繼續(xù)增加投加量的實(shí)驗(yàn)。

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，隨著天然沸石投加量的不斷增加，氨氮去除率也在不斷提高，直到投加量為300g/L時(shí)，氨氮去除率才趨于穩(wěn)定，所以選擇投加量為300g/L作為最佳去除工業(yè)尾水中氨氮的效果。

由表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，沸石去除氨氮的效果越來越差，從剛開始去除率87.20%到循環(huán)3次后去除率65.52%。雖然去除能力呈下降趨勢(shì)，但還是具有一定的氨氮去除能力。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

3.1.1 粒徑小的天然沸石去除氨氮效果明顯好于粒徑大者，考慮到實(shí)際工程及各因素的影響，最終選用>60目的沸石粒徑。

3.1.2 在一定范圍內(nèi)，隨著天然沸石投加量增加，氨氮去除率越高，但隨著天然沸石用量再增加，去除效果又逐漸趨于平緩。

3.1.3 通過振蕩時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，天然沸石具有能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸附飽和的特性，持續(xù)振蕩，會(huì)使氨氮去除率反而下降。

3.1.4 對(duì)于氨氮廢水，天然沸石對(duì)其去除率隨溶液的PH值的增加而升高。

3.1.5 使用細(xì)顆粒天然沸石去除實(shí)際生活尾水和工業(yè)尾水中的氨氮具有較好的效果，其中生活尾水投加天然沸石量為70g/L時(shí)，達(dá)到最佳氨氮去除率為93.4%，工業(yè)尾水投加天然沸石量為300g/L時(shí)，達(dá)到最佳氨氮去除率為91.13%。

3.1.6 從細(xì)顆粒天然沸石再生循環(huán)利用實(shí)驗(yàn)研究中可以看出，雖然天然沸石去除率隨循環(huán)次數(shù)增加而下降，但仍具有一定的去除效果，可見天然沸石具有一定的循環(huán)利用的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 展望

3.2.1 由于時(shí)間所限，本課題在低濃度氨氮模擬廢水中進(jìn)行粒徑、振蕩時(shí)間、PH值、投加量、再生次數(shù)等因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)還可以進(jìn)一步進(jìn)行正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，在多因素相互影響的條件下，最終篩選出最優(yōu)條件組合，確定各因素對(duì)氨氮去除率的影響。

3.2.2 本實(shí)驗(yàn)只研究了單一的天然沸石對(duì)氨氮的去除效果，若入選多種類型沸石進(jìn)行廢水中氨氮的去除實(shí)驗(yàn)，便可篩選出最佳的沸石類型，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)效果。

3.2.3 本研究由于實(shí)驗(yàn)條件所限，只進(jìn)行了簡單振蕩實(shí)驗(yàn)，所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與工程的實(shí)際應(yīng)用存在一定偏差，還可以進(jìn)一步進(jìn)行流動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使之與生產(chǎn)實(shí)際更貼近。

3.2.4 由于天然沸石吸附一定量的氨氮后達(dá)到飽和，影響天然沸石的污水處理能力及重復(fù)利用能力，建議加深對(duì)天然沸石再生利用的研究，分析其經(jīng)濟(jì)效益及可行性，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)有效利用。

參考文獻(xiàn)

[1]朱志.高濃度氨氮廢水處理技術(shù)及發(fā)展[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2008，27（1）：60-61.

[2]季金云.斜發(fā)沸石處理低濃度氨氮廢水的吸附性能及再生實(shí)驗(yàn)研究[D].山東大學(xué)，2014.

[3]李建霜.沸石對(duì)生活污水氨氮處理的研究[D].重慶交通大學(xué)，2014.

[4]徐新華.天然沸石在水處理中的應(yīng)用[J].廣州化工，2006，34（5）：66-68.