改性沸石在河道治理中氨氮吸附—脫附工藝的研究

范佳奇

（上海博丹環境工程技術股份有限公司，上海 200437）

FAN Jia-qi

(Shanghai Bodan Environment Engineering Technology Co.Ltd.,Shanghai200437,China)

1 引言

隨著我國在環境保護方面治理水平與要求的不斷提高，人們對地表水水體的修復與維護也日益重視。2018年在京召開的全國環境保護工作會議，提出到2020年，全國地表水III類以及III類以上的水體占比達到70%以上。氨氮濃度作為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中評價水體的主要指標之一，它的有效去除是水體水質優化的重要因素。現在對于水中氨氮處理一般使用生化法，但其中的硝化細菌[1]受溫度影響大，在低溫環境下，活性抑制明顯，處理效率方面會發生很大下降；汽提氨氮吹脫法[2]對高濃度氨氮廢水有一定的處理效果，但去除率較低，而工藝中需要加熱，并投加大量的堿；化學沉淀[3]與氧化法[4]去除率高，速度快，但試劑費用高。為了適應河道水體氨氮含量較低，水量較大的特點，需要找到一種速度快、成本低、高效率的方法來進行污染物的治理。

2 方法與材料

2.1 目標廢水的水質情況

本研究中的目標水體為某市A段河道的地表水水體，水體中氨氮濃度為12.7～16.3mg/L，出水水質要求達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中III類水標準，即氨氮＜1mg/L。

2.2 試劑

本研究中采用的所有試劑為工業級，生產廠家為無錫市沃濤化工產品有限公司。

2.3 實驗裝置與方法

實驗中的主要反應裝置為自研柱狀中試吸附塔，單塔尺寸為φ0.6×3.0m，單塔實際容積1.5m3，整個吸附裝置由兩個或多個塔體串聯而成。改性沸石在塔體中分兩層填裝，填裝高度1m，經測試，填裝后沸石層間隙率為52.3%，單塔的容水體積為0.8m3。在吸附過程中，將河水從設置在塔體底部的進水口通入塔體中，經過沸石層后從設置在上部的排水口排除，并收集水樣進行檢測。

電化學脫附液處理裝置是由6塊SnO2/graphite陽極與鈦板陰極交錯間隔構成的長方形腔體，反應有效容積為0.5m3。陰陽極電極的面積均為50×50cm2，極間距為24cm。

2.4 檢測方法

氨氮濃度按HJ 535—2009《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法》檢測。

3 結果與討論

3.1 停留時間與上升流速對吸附的影響

改性沸石吸附氨氮是一個進行離子交換的化學吸附過程。在吸附過程中，水中的NH4+離子與沸石發生接觸碰撞，在碰撞時，固水界面有機率發生界面相互作用，由于沸石對NH4+離子的總交換容量在一般在50～220mmol/100g，高于沸石表面的Na+的交換勢[5]，NH4+會與Na+發生離子交換作用，吸附到沸石表面，由此完成氨氮從水中的脫離。所以，NH4+離子與沸石表面的有效接觸與傳質效率就變得很重要。要得到高的氨氮吸附，就必須使兩者由足夠時間的進行交換反應，同時，適合的上升流速能使得廢水中NH4+與沸石發生碰撞，一定條件下形成紊流，讓進水的實際水流路徑與流速大于表觀上升路徑與流速，有助于NH4+離子向沸石表面的傳質。

對此，本文對河道水在吸附塔中的停留時間與上升流速對出水氨氮的影響進行了研究。首先，在不同停留時間下，上升流速固定為6m/h，采用連續進水處理工藝進行實驗。經過實驗發現，停留時間為 20min、30min、40min、50min、60min 對應的處理出水氨氮濃度為 1.32mg/L、0.96mg/L、0.72mg/L、0.51mg/L、0.39mg/L，隨著停留時間的增加，出水氨氮的濃度隨之減少。停留時間達到30min即可達到所需水質要求。但由于這個停留時間下出水氨氮為0.96mg/L，盡管在目前河道進水水質下（≤16.3mg/L），但若發生較明顯的負荷沖擊，極易排放超標。為了使出水氨氮穩定＜1mg/L，將停留時間選擇為40min。

接著，在固定40min的停留時間下，進行了不同上升流速下的連續進水處理實驗。結果表明在2m/h、4m/h、6m/h、8m/h、10m/h的上升流速下，出水氨氮濃度為1.03mg/L、0.81mg/L、0.72mg/L、0.46mg/L、0.21mg/L。與停留時間一樣，在一定范圍內，上升流速越大，處理效率越好，但考慮到若這兩者都選擇較大的值，則整個塔的尺寸與串聯塔的個數都會過大，所以，選擇4m/h上升流速與40min分鐘停留時間為優化操作參數。

3.2 氨氮的脫附與脫附液的再生

利用改性沸石吸附的氨氮并沒有從本質上被分解，NH4+在沸石表面不斷占據吸附活性位點，當這些位點，特別是活性高的位點被占據后，沸石剩余的吸附能力將不能滿足達標的要求。此時，就需要進行脫附以及對脫附液的再生處理，從根本上分解氨氮。在氨氮的脫附工藝中，采用一定濃度的NaCl溶液浸泡法，利用高倍數的Na+的離子交換勢將吸附在沸石表面的NH4+置換下來。在沸石吸附能力不達標，即出水氨氮值接近1.0mg/L（＞0.95mg/L）時，對沸石進行脫附。經過濃度分別為10%、12.5%、15%的NaCl溶液，沸石吸附容量的回復值分別為74.2%、80.8%、89.4%，并且在其后的10個周期的吸附容量不發生明顯下降，與第一次脫附后相比，下降比例不超過3%。

而對于脫附液的再生，研究對比了NaClO氧化法與電化學法兩個方法。NaClO氧化法采用NaClO與氨氮摩爾比為1.8～2：1的投加比例，攪拌反應12h，通過這個方法可將NaCl溶液中的氨氮降低至0.6mg/L以下，并且余氯不超過0.1mg/L。電化學氧化法為連續進水處理方式，在本研究中采用的槽壓為6～8V，100～120A/m2的電流密度，裝置中的溶液流速為0.2～0.4m/s，電化學法利用陽極反應將水中的Cl-催化氧化為ClO·-，通過自由基將氨氮氧化為N2與H2O，除氨效率也達99.5%以上，氨氮余量僅為0.1mg/L左右。

4 結語

本研究驗證了改姓沸石吸附后對河道水體的治理，在優化的操作條件下，出水氨氮可穩定保持GB 3838—2002《地表水環境質量標準》III類水標準，且有操作難度較低的脫附與脫附再生的過程可供選擇。