吸附法處理氨氮廢水研究進(jìn)展

唐朝春，許榮明

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

近年來，水體富營養(yǎng)化問題受到廣泛關(guān)注，而氨氮廢水過量排放到水體中是水體富營養(yǎng)化的重要原因之一[1]，氨氮過度排放不僅會造成水體富營養(yǎng)化，還會導(dǎo)致毒素在水生生物上的積累，甚至威脅人類的生命健康[2]。水中氨氮主要來源于工業(yè)廢水、城市生活污水以及農(nóng)業(yè)灌溉排水[3]，如何便捷、經(jīng)濟(jì)、高效地去除或者回收廢水中的氨氮已經(jīng)成為了廢水處理技術(shù)的難題，也成為了近年來的研究熱點(diǎn)之一。

對于不同濃度的氨氮廢水分別有適合的處理技術(shù)，氣浮法[4]、磷酸氨鎂法[5]及催化氧化法[6]常用來處理高濃度氨氮廢水，對于中低濃度氨氮廢水常用處理技術(shù)有生物法[7]、吸附法[8]、折點(diǎn)加氯[9]以及電化學(xué)法[10]等。生物處理技術(shù)因其具有運(yùn)行費(fèi)用低、去污效果好、生態(tài)可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)作為應(yīng)用最廣泛的污水處理技術(shù)[11]，在氨氮廢水處理方面?zhèn)涫荜P(guān)注，但是依然存在著對環(huán)境溫度依賴性強(qiáng)以及高濃度氨氮廢水易使微生物活性降低等問題[12-13]。物理氣浮法對高濃度氨氮廢水有較好的處理效果，但是出水氨氮濃度較高，出水依然需要進(jìn)一步的處理?；瘜W(xué)法是一種高效并且操作簡單的處理方法，但是藥劑昂貴、存在二次污染等問題制約了化學(xué)法的廣泛應(yīng)用。與其他處理方法相比，吸附法處理氨氮廢水具有低成本、高效性、穩(wěn)定性、易操作等優(yōu)點(diǎn)，是處理氨氮廢水的理想方法[14]。本文就吸附法處理氨氮廢水熱點(diǎn)問題展開綜述，詳細(xì)介紹新型吸附材料在氨氮廢水上的應(yīng)用以及相應(yīng)的吸附熱動力學(xué)研究，并展望未來吸附法處理氨氮廢水的研究方向。

1 作用機(jī)制

2 研究現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)外針對氨氮吸附的研究主要集中在吸附材料改性，新型、高效、經(jīng)濟(jì)的吸附材料研制，以及不同吸附材料對氨氮吸附效果的優(yōu)劣上，見表1。

目前用于吸附氨氮的材料主要有沸石、生物炭、膨潤土、粉煤灰等[21-22]。而對于氨氮吸附機(jī)理的研究主要是對氨氮吸附熱動力學(xué)研究，利用相關(guān)分析手段對分子基團(tuán)層面的吸附機(jī)理研究較少。

表1 不同吸附材料對氨氮的吸附效果Table 1 Adsorption effect of different adsorbents on ammonia nitrogen

2.1 沸石

沸石因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征、價格低廉以及分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)成為氨氮廢水吸附材料的研究熱點(diǎn)[35]。沸石內(nèi)表面積很大，其晶格內(nèi)部有很多大小均勻的孔穴跟孔道，其體積約為沸石晶體總體積的1/2左右，因而沸石具有良好的吸附性能[36]。針對沸石改性研究以及吸附再生是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

2.1.1 斜發(fā)沸石 崔凱[23]在氯化鈉溶液濃度為90 g/L、50%微波功率、反應(yīng)5 min的條件下對斜發(fā)沸石進(jìn)行改性，改性后沸石對氨氮初始濃度為100 mg/L的模擬氨氮廢水的去除率達(dá)到90%以上。并且發(fā)現(xiàn)影響改性沸石對氨氮去除率的因素的順序?yàn)椋耗M氨氮廢水濃度>pH>改性沸石投加量>反應(yīng)溫度>轉(zhuǎn)速。Sancho等[37]采用斜發(fā)沸石與中空纖維膜接觸器結(jié)合技術(shù)回收生活污水中氨，氨的回收率超過98%。許育新等[24]研究了天然斜發(fā)沸石對氨氮的動態(tài)吸附特征，發(fā)現(xiàn)其動態(tài)飽和吸附量可達(dá)18.8 mg/g。Shaban等[38]采用機(jī)械活化的方法對天然沸石進(jìn)行改性，改性后沸石處理氨氮廢水，出水氨氮僅為3.6 mg/L。王文超等[25]以斜發(fā)沸石為吸附劑處理氨氮廢水取得了很好的處理效果，對初始濃度為200 mg/L的氨氮廢水，廢水中氨氮的去除率可達(dá)到92.71%。

唐登勇等[39]比較了天然沸石與改性沸石的處理效果，結(jié)果表明以經(jīng)氯化鈉改性后天然沸石為填料的吸附柱，在相同條件下有效處理水量為天然沸石的2.67倍，且改性沸石脫附率可達(dá)95.2%，脫附后再次吸附有效處理廢水量可達(dá)初次吸附的93.8%。饒力和汪曉軍[40]采用濃度為5%的氫氧化鈉溶液作為再生劑加蒸汽加熱的組合再生方式對天然沸石進(jìn)行再生研究，發(fā)現(xiàn)沸石經(jīng)過再生以后吸附性能能夠保持穩(wěn)定，即使經(jīng)過15次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，沸石的吸附容量依然可以保持在4 mg/g左右。

2.1.2 片沸石 王文超[26]以改性后的片沸石顆粒為吸附劑，研究其對氨氮廢水的去除效果以及解吸率，結(jié)果表明，對于初始濃度為200 mg/L的氨氮廢水，其出水可達(dá)國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，解吸率可達(dá)91.29%。靳薛凱[35]以濃度為0.1 mol/L氫氧化鈉作為再生劑，研究了沸石再生對氨氮去除效果的影響，發(fā)現(xiàn)再生沸石對氨氮的平均去除率仍然可達(dá)91%，通過表征分析發(fā)現(xiàn)，飽和片沸石再生后可恢復(fù)沸石原有的孔隙結(jié)構(gòu)，且保持不變，新鮮的片沸石對氨氮的去除率和吸附量分別為75.65%和7.56 mg/g。

2.2 生物炭

近年來，生物質(zhì)炭作為一種新型吸附劑，因其比表面積大、孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)、工藝簡單、不需要活化或二次處理等良好的吸附特性而被廣泛應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域，在經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效應(yīng)上還具有廉價、無毒、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)[41-42]。

陳吉吉等[27]采用天然麥殼生物炭為吸附劑去除廢水中的氨氮，發(fā)現(xiàn)天然麥克生物炭對氨氮的最大吸附量可達(dá)到17.87 mg/g，同時吸附后含有氨氮的麥殼可以作為肥料或飼料再利用。劉雪梅等[28]采用磷酸改性油茶殼活性炭對氨氮吸附研究，結(jié)果表明，吸附屬于單分子層吸附，油茶殼活性炭對氨氮的實(shí)際最大吸附量可以達(dá)到12.51 mg/g。Ibrahim等[29]采用西瓜皮生物炭去除廢水中氨氮，結(jié)果表明，在接觸時間40 min內(nèi)，吸附過程迅速并且達(dá)到吸附平衡，對氨氮初始濃度為50 mg/L的廢水，氨氮去除率可達(dá)99%。

胡婧[43]將玉米芯生物炭吸附與介電泳技術(shù)相結(jié)合，建立了一種新型氨氮去除工藝，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在介電泳處理過程中，氨氮去除率顯著提高，認(rèn)為吸附了氨氮的炭化玉米芯發(fā)生了介電捕獲，氨氮去除率的提高可能是由于介電泳促進(jìn)了氨氮在炭化玉米芯微粒表面的吸附。

2.3 膨潤土

膨潤土是一種主要成分為蒙脫石，含有長石、方解石、石英等雜質(zhì)的黏土巖，主要成分為SiO2、Al2O3、H2O和少量的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金屬離子[44]。因其具有大比表面積、離子交換能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在吸附去除污染物方面有著廣泛的應(yīng)用。

張廣興等[30]通過十二烷基硫酸鈉與六水氯化鋁制備的改性膨潤土作用于氨氮廢水，去除率可達(dá)90%，脫附率可達(dá)75.21%，脫附再生后的膨潤土對氨氮的去除率依然可以達(dá)到62.83%。劉丹[45]以鈉基膨潤土為原料，殼聚糖為改性劑，制備殼聚糖改性膨潤土用于處理氨氮廢水，氨氮去除率可達(dá)68.55%。

2.4 粉煤灰

粉煤灰是火力發(fā)電廠的一種固體廢棄物，不僅具有表面疏松多孔、比表面積大的特點(diǎn)，由于其表面具有大量Si—O—Si鍵、Al—O—Al鍵，使其還具有一定的表面活性，在吸附去除污染物上具有較大的潛力[46-47]。

賈漢英等[31]用氫氧化鈉對粉煤灰進(jìn)行改性，研究其對氨氮廢水的吸附行為，結(jié)果表明，改性粉煤灰的吸附效率可以達(dá)到81.56%。劉志超等[48]采用氯化鑭浸漬的方法對粉煤灰進(jìn)行改性，處理模擬徑流污水，僅吸附30 min氨氮的去除率就達(dá)到93.2%。

2.5 其他吸附材料

郭祎閣等[32]使用一種天然高分子材料殼聚糖吸附水中氨氮，對氨氮去除率可達(dá)74.35%。Couto等[33]比較了改性黏土和改性沸石對氨氮廢水的去除效果，改性后黏土對氨氮去除率達(dá)到96%，改性沸石可達(dá)81%。Wei等[34]以二甲基二烯丙基氯化銨和丙烯酸為交聯(lián)劑，在可溶性淀粉上交聯(lián)制備兩性水凝膠用于吸附廢水中氨氮，吸附容量可達(dá)33.98 mg/g。Zhang等[49]以碳化硅酸鹽為原料，采用碳化、活化、水熱轉(zhuǎn)化的方法制備了X型活性炭復(fù)合材料，用于水溶液中氨氮的脫除，結(jié)果表明X型活性炭復(fù)合材料是一種有效的氨氮去除吸附劑。Chen等[50]對磷酸銨鎂熱分解產(chǎn)物對氨氮的吸附效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)磷酸銨鎂熱解后可將氨及水全部脫除，熱解產(chǎn)物對氨氮的最大吸附量可達(dá)72.5 mg/g，對于初始氨氮濃度為800 mg/L的氨氮廢水，去除率可達(dá)95%以上，再生研究表明，熱解產(chǎn)物可以循環(huán)用于吸附氨氮廢水。

3 結(jié)語與展望

吸附法作為一種便捷、高效、經(jīng)濟(jì)的處理氨氮廢水的方法，不管是在廢水的預(yù)處理、深度處理，還是在應(yīng)急處理上都有著廣泛的應(yīng)用。沸石黏土類吸附材料是廣泛存在且廉價易得的吸附材料，其獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)以及很強(qiáng)的穩(wěn)定性，再加上表面活化改性，是現(xiàn)如今比較理想的氨氮吸附材料，具有很大的發(fā)展應(yīng)用前景；大多數(shù)生物質(zhì)炭包括粉煤灰吸附材料都是廢棄物資源化利用的一個方面，符合環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)效益高等科學(xué)發(fā)展的需求，是氨氮吸附的一大研究熱點(diǎn)；其他吸附材料，像高分子材料、納米材料以及復(fù)合材料等，雖然材料合成難度大、來源面較窄，但是其強(qiáng)大的表面活性及大吸附容量為未來吸附材料的發(fā)展提供了更多可能，也將是未來氨氮吸附材料的研究熱點(diǎn)。

吸附法存在許多不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但也依然存在著許多不足之處，為此作出以下幾點(diǎn)展望。

(1)大部分研究都只是在研究吸附材料的處理效果上，機(jī)理研究也只是停留在吸附熱動力學(xué)研究上，未來的機(jī)理研究可針對分子基團(tuán)變化進(jìn)行相應(yīng)研究。

(2)大多數(shù)氨氮吸附研究都是單組分、靜態(tài)的，有必要做一些動態(tài)的、多組分污染物的氨氮去除效果研究。

(3)未來研究重點(diǎn)可放在氨氮吸附材料的解吸及再生研究上。

(4)大多數(shù)氨氮吸附研究都只停留在實(shí)驗(yàn)室小試上，實(shí)際應(yīng)用研究甚少，可以深入研究實(shí)際應(yīng)用中氨氮的去除效果及環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。