改性粉煤灰吸附廢水中氨氮的試驗研究

王 妮，尋之安

(1.山東信標檢測服務有限公司，山東 日照 276806；2.日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276806)

0 引言

粉煤灰是燃煤企業(yè)高溫燃燒煤粉形成的顆粒狀固體廢物[1]。長期不使用，隨意堆置，不僅浪費土地資源，而且暴露空氣中易隨風揚塵，受雨水浸蝕污染土壤、水體，嚴重影響環(huán)境質(zhì)量[2]。生產(chǎn)生活污水、工礦企業(yè)廢水等[3]都含有大量氨氮，排放至江、河、湖、海等水域，氨氮富集加速了水體污染與惡化[4]。有關文獻[5-7]指出當水體中氨氮濃度達到0.2～2.79 mg/L時將導致魚類死亡，高濃度氨氮亦會造成飲用水異味甚至完全不能飲用，對人體健康產(chǎn)生影響[8]。

目前粉煤灰在廢水綜合處理應用中開辟了新的途徑，相關研究[9-10]采用不同方法處理的粉煤灰作為吸附劑提高了廢水中氨氮的吸附處理效率，蔡培杰等[11]以合成沸石的方法提高吸附性能，孫領翔等[12]研究優(yōu)選條件下的氨氮吸附率達68.27%。

本文通過一種酸改性和酸-堿改性的粉煤灰處理工藝對廢水中氨氮吸附能力進行靜態(tài)單因素實驗與影響因素水平正交試驗，確定最佳吸附組合條件，為工業(yè)應用提供數(shù)據(jù)支撐。秉承“以廢治廢”綠色環(huán)保綜合利用理念，提高粉煤灰吸附氨氮綜合效率，降低廢水中氨氮的濃度，減少污染物排放，保護生態(tài)環(huán)境。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗粉煤灰取自火力發(fā)電廠，其組成成分見下表1。

表1 粉煤灰成分 %

原水樣取自火電廠的脫硫廢水，氨氮測定濃度645.3 mg/L，實驗中所用廢水是稀釋處理后得到氨氮濃度為129 mg/L、pH為6.22的水樣。

NaOH、H2SO4、HCl、HgCl2、C4H4O6KNa·4H2O、KI、H3BO3等試劑均為分析純。

1.2 實驗儀器

表2 實驗儀器

1.3 粉煤灰吸附劑的制備

粉煤灰預處理：用蒸餾水清洗粉煤灰3～4次，過濾后置于105 ℃烘干，磨碎過200目篩備用。

粉煤灰酸改性：將粉煤灰預處理后投入100 ml 2 mol/L的H2SO4溶液中24 h，過濾后置于105 ℃干燥箱中干燥處理，24 h后冷卻至常溫備用。

粉煤灰酸-堿改性：將粉煤灰預處理后按固液比1∶5與1 mol/L H2SO4溶液+1 mol/L HCl溶液(1∶1配比)攪拌均勻，在50 ℃條件下水浴加熱1 h。靜置12 h酸改性處理，再洗滌到中性，按1∶2的固液比例用2 mol/L NaOH改性成酸-堿改性。

1.4 實驗方法

首先進行單因素實驗，采用直接投入法利用兩種改性粉煤灰處理50 mL濃度為129 mg/L氨氮廢水溶液，研究改性后吸附劑投用量、振蕩吸附作用時間、溶液pH值等單一變量因素對廢水中氨氮吸附效果的影響。其次進行正交試驗，確定優(yōu)選改性粉煤灰處理氨氮廢水時各影響因素的最優(yōu)水平組合。

2 單因素實驗

2.1 吸附劑投加量的影響

圖1給出了在振蕩吸附作用時間為4 h，吸附劑投加量對廢水中氨氮去除率的影響。

吸附廢水氨氮的過程中，每單位吸附劑的吸附效率有限，一定范圍內(nèi)增加投加量可以提升吸附處理效率，但加入達到一定量后，吸附作用達到極限，吸附劑的利用效率將會降低。由圖1可知，吸附劑投加量在1.0～2.5 g范圍內(nèi)，隨著投加量的增加氨氮去除效率呈上升趨勢。當投加量為2.5 g時，酸改性吸附劑對氨氮的去除效率為43.8%，酸-堿改性吸附劑對氨氮的去除率為69.9%。當吸附劑投加量大于2.5 g后，由于粉煤灰吸附氨氮趨于飽和狀態(tài)，隨著投加量的增加，氨氮去除效率不再明顯變化。因此，兩種改性方法處理的吸附劑的適宜投加量均在2.5 g附近，酸-堿改性比酸改性方法處理的粉煤灰吸附效果明顯高。

2.2 振蕩吸附作用時間的影響

圖2是兩種吸附劑投加量均為2.5 g，氨氮去除效率受振蕩吸附作用時間的影響。

由圖2可知，未達到吸附平衡前，隨振蕩吸附作用時間的增加，水中氨氮迅速向粉煤灰表面遷移擴散，氨氮吸附效率逐漸提高。雖然改性粉煤灰顆粒表面吸附的氨氮可以較快達到吸附平衡[13]，但由于其表面是不規(guī)則形狀，氨氮需要一定時間進入孔隙內(nèi)壁才能吸附達到平衡。達到各自最高值后氨氮吸附趨于平衡穩(wěn)定，隨著振蕩作用時間增加，去除效率不再有明顯變化。對比結果可知，酸-堿改性的粉煤灰對氨氮吸附最優(yōu)選擇作用時間為2 h，酸改性的粉煤灰對氨氮吸附最優(yōu)選擇作用時間為3.5 h，酸-堿改性粉煤灰對氨氮吸附所需時間相對較短。

2.3 溶液pH值的影響

圖3是在兩種吸附劑投加量均為2.5 g、各自最優(yōu)振蕩吸附作用時間下，廢水pH分別為5～14時，去除氨氮效率受pH值的影響。

2.4 最高吸附性能對比

通過分析上述單因素實驗結果，氨氮去除效率均與吸附劑投加量、振蕩吸附作用時間、溶液pH值有關。

由表3吸附實驗的數(shù)據(jù)可知，從三個因素來看，酸-堿改性粉煤灰對氨氮吸附性能優(yōu)于酸改性粉煤灰的吸附性能。

表3 最高吸附性能對比

3 正交試驗

3.1 正交試驗設計

在分析影響氨氮吸附的單因素實驗結果基礎上，優(yōu)選以酸-堿改性后的粉煤灰作為吸附劑，振蕩速度120 r/min為固定因素，氨氮吸附效率為考察指標，酸-堿改性粉煤灰投加量(A)、振蕩吸附作用時間(B)、pH值(C)三個因素為考察因素，進行影響氨氮吸附因素水平的正交試驗，確定最適的因素水平組合。選用L9(34)正交試驗表，見表4。

表4 正交試驗因素水平表

3.2 正交試驗結果

正交試驗結果見表5。

表5 正交試驗結果

3.3 正交試驗極差分析

表6是使用極差分析法對表5正交試驗結果的分析。振蕩吸附時間的R值最大，表示其最重要；pH值的R值其次，表示相對重要；投加量R值最小，表示其相對不重要。因此影響氨氮吸附效果的各個因素水平的重要順序依次為振蕩吸附作用時間、原水pH、酸-堿改性粉煤灰投加量。從表6看出：A因素k2最大，B因素k3最大，C因素k1最大，因此優(yōu)選組合為A2B3C1，即酸-堿改性粉煤灰投加量為2.5 g，振蕩吸附作用時間為2.5 h，初始pH=8。

表6 極差分析表

3.4 正交試驗方差分析

表7是對表5的方差分析結果。B因素F比值>F0.05(2，2)，對試驗結果有顯著影響。A、C因素F比值

表7 方差分析表

4 結論

本文以酸改性、酸-堿改性的粉煤灰作為吸附劑，通過對氨氮廢水進行氨氮靜態(tài)單因素吸附實驗與正交吸附試驗，得出以下結論：

(1)單因素實驗結果可知：廢水中氨氮去除效果均與改性粉煤灰投加量、振蕩吸附作用時間、初始pH值有關；兩種改性方法最高吸附性能對比，酸-堿改性粉煤灰對氨氮吸附性能優(yōu)于酸改性粉煤灰的吸附性能。

(2)正交試驗結果可知：影響處理廢水氨氮吸附效果的各個因素水平的重要順序依次為振蕩吸附作用時間>初始pH>酸-堿改性粉煤灰投加量；優(yōu)選組合方案為吸附劑投加量為2.5 g、振蕩吸附作用時間為2.5 h、初始pH=8。

酸-堿改性粉煤灰作為一種環(huán)保的水處理材料，能夠有效去除廢水中氨氮，為工業(yè)型粉煤灰處理廢水技術提供參考。