改性硅藻土與珍珠巖聯(lián)合處理氨氮廢水的研究

馬萬(wàn)征，劉帥帥，馬萬(wàn)敏，謝越，鄒海明，王艷，謝晶晶

(1.安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，安徽鳳陽(yáng) 233100;2.農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠 233000;3.青島市開發(fā)區(qū)農(nóng)機(jī)監(jiān)理管理站，山東青島 266555)

氨氮的含量是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一，當(dāng)水體中氨氮的濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，將會(huì)對(duì)水生生物的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，進(jìn)而影響到人們的生活。隨著人們生活水平的提高，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的問題也日益嚴(yán)重［1］。隨著人們對(duì)氨氮危害水環(huán)境質(zhì)量認(rèn)識(shí)的深入了解，在廢水處理過程中，對(duì)氨氮的處理標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)格。

目前中國(guó)氮污染十分嚴(yán)重，其中兩個(gè)主要來(lái)源是:①在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)水平的限制，不合理施用氮肥所導(dǎo)致的面源污染;②在工業(yè)生產(chǎn)中，片面的追求經(jīng)濟(jì)效益，高濃度含氮廢水和大量低濃度含氮廢水的超標(biāo)排放所導(dǎo)致的點(diǎn)源污染［2］。氨氮廢水的大量排放，使水體中的氨氮含量大量增加，這些氨氮廢水在通過生物化學(xué)作用去除的過程中會(huì)消耗大量的氧氣，使水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)。在這種環(huán)境下，由于供水生植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，使水生植物的生長(zhǎng)速度加快，消耗水體中大量的氧氣，水體供氧不足，部分植物在生長(zhǎng)過程中對(duì)生存環(huán)境的要求較高，將造成大量的動(dòng)植物的死亡;動(dòng)植物的大量死亡，也會(huì)反作用于水體，使水體中的氧氣含量進(jìn)一步降低，最終嚴(yán)重影響水體水質(zhì)［3］。吸附法是目前處理氨氮廢水的一種重要方法［4］。

由于硅藻土本身所具有的特性，使其在生產(chǎn)生活中得到廣泛的應(yīng)用［5］。硅藻土的化學(xué)組成成分，導(dǎo)致硅藻土的吸附能力有限，不能夠有效的去除廢水中的氨氮含量，通過對(duì)硅藻土進(jìn)行改性處理，使得硅藻土的部分性質(zhì)得到優(yōu)化，最終提高硅藻土對(duì)氨氮的吸附能力，使廢水中的氨氮得到有效地去除［6］。珍珠巖廉價(jià)易得，用改性硅藻土和珍珠巖聯(lián)合處理氨氮廢水，如果具有良好的效果，將會(huì)對(duì)水處理工藝中氨氮的有效去除提供幫助，同時(shí)降低廢水處理的成本。前人的研究表明，生物法和化學(xué)法去除水體中高濃度氨氮較為常用且有效［7］。在適宜條件下，改性硅藻土對(duì)氨氮廢水的處理具有顯著效果［8-9］。不同濃度的氨氮廢水處理的方法不同［10-11］。

本文在不同的條件下，改變振蕩吸附時(shí)間、珍珠巖的加入量、pH值、反應(yīng)溫度，測(cè)出在不同的影響因素下氨氮的去除率，以期在適宜條件下，珍珠巖對(duì)含氮廢水的去除率達(dá)到最大，為后期的廢水處理工藝提供必要的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硫酸鋅、氫氧化鈉、氫氧化鉀、碘化鉀、碘化汞、氯化銨、銨標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液、酒石酸鉀鈉、硅藻土、珍珠巖均為分析純。

721N分光光度計(jì);DHG-910·3S電熱鼓風(fēng)干燥箱;FA2004B萬(wàn)分之一天平;PHS-3C酸度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 含氨氮廢水 利用氯化銨配制含氨氮廢水。

1.2.2 改性硅藻土制備 稱取124.4 g氯化鋁，加入濃度為10%的氫氧化鈉溶液中，結(jié)晶氯化鋁與氫氧化鈉按摩爾比2∶1混合，攪拌使之均勻，靜置2 d，稱取45 g硅藻土加入溶液中，攪拌至混合均勻，風(fēng)干碾碎，倒入容器中備用。

1.2.3 測(cè)定方法 首先對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理，得到餾出液，加入到比色管中，再加入其他溶液，定容至50 mL，混合均勻，靜置一段時(shí)間后，用分光光度計(jì)測(cè)定吸光度。

1.2.4 氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 配制標(biāo)準(zhǔn)氨溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后配制不同濃度的氨氮溶液，分別為0，0.01，0.02，0.06，0.10，0.14，0.20 mg/mL，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出氨氮濃度，進(jìn)而計(jì)算出氨氮的第一吸附量X1。

利用分光光度計(jì)測(cè)出氨氮廢水的吸光度，通過數(shù)據(jù)分析，得到氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線方程:y=1.797x+0.054 5，R2=0.996 4，其中 x 軸為氨氮濃度(mg/mL)，y軸為吸光度(A)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同投加量對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響

為了確定珍珠巖的最佳投加量，先確定pH值為6、振蕩吸附時(shí)間為20 min、反應(yīng)溫度30℃，在100 mL 的水樣中分別添加珍珠巖 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 g 時(shí)，分析出最佳處理投入量，見圖1。

圖1 不同投加量對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響Fig.1 Effect of different dosing quantity on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

由圖1可知，氨氮的去除率隨著珍珠巖的添加量的增加而增加。當(dāng)珍珠巖的投加量為2.50 g時(shí)，氨氮的去除率達(dá)到最大，為72.37%。在一定濃度范圍內(nèi)，珍珠巖對(duì)氨氮的吸附能力隨著投加量的增加而增加;根據(jù)相關(guān)曲線可以知道y=－0.008x2+0.075 5x+0.565 3，R2=0.940 6;珍珠巖的投加量與氨氮的去除率的決定系數(shù)為0.940 6，這說明珍珠巖的投加量對(duì)氨氮的吸附所起到的作用很大，即相關(guān)性較高。隨著投加量的增加，去除率的變化率越來(lái)越小。可見，在實(shí)際工藝應(yīng)用中，并不是投加量越大，取得的效果越理想。

2.2 不同pH對(duì)含氨氮廢水吸附性能的影響

為了找到最佳pH值，在保持振蕩吸附時(shí)間為20 min、反應(yīng)溫度30℃和投加量為3.5 g時(shí)，改變反應(yīng)溶液的 pH 值分別為 4，5，6，7，8，9，10，得出氨氮去除量，最終可得到最佳的反應(yīng)pH值，見圖2。

由圖2可知，當(dāng)pH=8時(shí)，氨氮的去除率最高，為79%;當(dāng) pH=6時(shí)，氨氮的去除率最低，為68.16%。根據(jù)相關(guān)曲線分析可知，決定系數(shù)為0.296 2，這說明pH值對(duì)氨氮的去除率所起的作用并不大，溶液為酸性時(shí)的去除率小于溶液為堿性時(shí)的去除率。因此在實(shí)際工藝操作中，可以通過調(diào)節(jié)廢水的pH值，使溶液的pH值為中性或弱堿性，從而使得氨氮的去除率達(dá)到最大效益。

圖2 不同pH值對(duì)含氨氮廢水吸附性能的影響Fig.2 Effect of different pH on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

2.3 不同溫度對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響

為了找到最佳的反應(yīng)溫度，保持其他反應(yīng)條件不變，即吸附振蕩時(shí)間20 min，珍珠巖的投加量為3.5 g/100 mL，溶液pH值為8，通過改變反應(yīng)溶液的溫度，考察溫度梯度分別為 20，25，30，35，40，45，50℃時(shí)的氨氮去除量，結(jié)果見圖3。

圖3 不同溫度對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響Fig.3 Effect of different temperature on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

由圖3可知，溫度為35℃時(shí)，氨氮的去除率最高，為72.35%。通過回歸方程擬合，得到?jīng)Q定系數(shù)為0.829 3，溫度對(duì)廢水中氨氮的去除率所起到的作用比較大。溫度在25～45℃時(shí)，氨氮的去除率相差不大，在71%左右;在一定范圍內(nèi)，氨氮的去除率隨著溫度的升高而增大，當(dāng)超過了35℃時(shí)，氨氮的去除率隨著溫度的增高而降低。在廢水處理工藝中，為了節(jié)省開支，降低能源消耗，可以考慮盡量少的調(diào)節(jié)溫度。

2.4 不同時(shí)間對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響

固定最佳珍珠巖的投加量3.5 g/100 mL，最佳的反應(yīng)pH值為8，溫度25℃。改變吸附振蕩時(shí)間，考察吸附振蕩時(shí)間分別為 20，30，40，50，60，70，80 min時(shí)的氨氮去除率，見圖4。

由圖4可知，振蕩時(shí)間為70 min時(shí)，氨氮的去除率最高，為 70.68%。但是，在廢液振蕩 20～80 min時(shí)間段內(nèi)，振蕩效果基本相同，氨氮的去除率為70%左右，由此可知，振蕩的時(shí)間對(duì)氨氮的去除率基本沒有影響。

圖4 不同時(shí)間對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響Fig.4 Effect of different time on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

綜上所述，珍珠巖處理氨氮廢水的最佳條件為珍珠巖的投加量為2.5 g/100 mL，pH值為7，反應(yīng)溫度為35℃，振蕩時(shí)間為30 min，去除率最大。

在改性硅藻土效率最高的條件下，用改性硅藻土對(duì)珍珠巖處理過的氨氮廢水進(jìn)行處理，得出第二吸附量X2。不同處理方式對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響見表1。

表1 不同處理方式對(duì)氨氮廢水吸附性能的影響Table 1 Effect of different treatment on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

由表1可知，在各自最佳的條件下，珍珠巖處理氨氮廢水的去除率約為82%，改性硅藻土處理珍珠巖處理后的廢水的去除率也為82%，說明只用珍珠巖處理氨氮廢水和用珍珠巖、改性硅藻土處理氨氮廢水的去除率基本相同。聯(lián)合處理氨氮廢水并不能有效的提高氨氮的去除率。

實(shí)驗(yàn)表明，用珍珠巖處理氨氮廢水的效果，并沒有用改性硅藻土的處理效果好。在適當(dāng)?shù)臈l件下，改性硅藻土的吸附能力良好，而在本實(shí)驗(yàn)中，用改性硅藻土處理珍珠巖處理過后的氨氮廢水，處理前后氨氮的含量基本沒有變化。

這可能由于改性硅藻土對(duì)于氨氮濃度較高時(shí)，具有較強(qiáng)的吸附性能，而當(dāng)氨氮濃度低于一定的范圍時(shí)，改性硅藻土對(duì)氨氮的吸附效果并不明顯。

3 結(jié)論

通過研究珍珠巖的投加量、氨氮廢水的溫度、pH值及吸附振蕩時(shí)間，確定了在珍珠巖投加量為2.5 g/100 mL，pH值為7，反應(yīng)溫度為35℃時(shí)對(duì)氨氮的去除效果最好，去除率為79.02%，另外，對(duì)已經(jīng)通過珍珠巖處理的廢水再加入改性硅藻土，氨氮廢水的處理效果基本保持不變。

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