沸石處理模擬生活污水中氨氮效果影響因素分析

(哈爾濱商業大學食品工程學院環境工程系，哈爾濱 150076)

0 引 言

沸石(Zeolite)，是沸石族礦物的總稱，是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物[1-2]，化學組成可以在相當大的范圍內變化，因而很多沸石只能給出近似的化學式，理想的沸石化學式為[3]：Mx/n[AlxSiyO2(x+y)]·pH2O，式中M為堿金屬(如Na、K、Li)和/或堿土金屬(如Ca、Mg、Ba、Sr)，n是陽離子電荷數。一般沸石的化學式還可寫成氧化物形式：M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O，從上式可以看出，沸石的化學成分實際上是由Al2O3、SiO2、H2O和金屬陽離子四部分構成。

黑龍江省海林沸石巖礦區有豐富的沸石資源，目前天然沸石是一種新興材料，被廣泛應用于工業、農業、國防等部門[4]，由于天然沸石對氨氮具有選擇交換性，因此已經被成功地應用于污水處理領域[5]。例如，美國和日本都已經建造了一定規模的天然沸石污水處理廠。對比傳統活性法生物脫氮工藝，沸石去除氨氮具有效果好，節約曝氣能耗等優點[6-8]。文中采用海林地區的天然沸石，用于處理模擬生活污水，考察投加量、吸附時間、氨氮初始濃度和pH值等因素對污水中氨氮的處理效果。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗方法

稱取30 g相同粒徑天然沸石放入500 mL錐形瓶中，加入所配制的10 g/LNH3-N(C0)的NH4Cl溶液200 mL，置恒溫水浴振蕩器中于25 ℃下振蕩，使氨氮在液相和沸石固相間分配達到平衡，72 h后取出樣品靜置15 min，取上清液測定NH3-N平衡濃度(Ce)，計算沸石對NH3-N的吸附容量(mg/g)，其計算公式如下：

Q= (C0-Ce)×V/m

(1)

式中，C0為NH4Cl溶液起始濃度，mg/L；Ce為吸附后NH4Cl溶液平衡濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為沸石重量，g。

1.2 實驗水質

實驗向蒸餾水中分別加入適量啤酒，氯化銨以及磷酸二氫鉀以模擬生活污水作為實驗原水，使原水中氨氮含量、COD及正磷酸鹽含量，維持于下表1所示范圍以內。

表1實驗用水水質范圍

1.4 分析項目與方法

實驗分析項目與方法見表2。

表2分析項目及方法

2 實驗結果與分析

2.1 沸石投加量的影響

稱取沸石1、2、3、4、5 g，置于盛有200 mL廢水、氨氮濃度為100 mg/L的燒杯中，進行攪拌吸附實驗(25 ℃、150 rpm)，3 h后測水中的氨氮值。不同沸石量對氨氮吸附的影響。

隨著沸石量的不斷增加，對于氨氮的去除呈不斷增加的趨勢，當沸石量為1 g時，3 h后對于氨氮的去除率為33.4%，再增加到4 g的時候，沸石對氨氮的去除率達到80.5%。之后，再隨著沸石量的增加，氨氮去除率逐漸趨于平緩，氨氮的去除率基本維持這個水平。因此，在模擬生活污水的氨氮濃度條件下，適宜的沸石投加量為4 g/200mL。

2.2 沸石吸附時間的影響

選擇沸石的投加量為4 g，考察不同的吸附時間對氨氮去除效果的影響，吸附時間選擇1～10 h，在1～3 h之間，隨著吸附時間的增加，氨氮去除效果增加較快。3～10 h之后氨氮去除率變化不明顯，基本維持在70%～80%左右。因此，吸附時間選擇3 h較適宜。

2.3 氨氮初始濃度影響

氨氮的濃度差為克服由水相到固相表面傳質阻力提供了動力，同時也影響著沸石對其吸附的能力和效率，通過考察不同氨氮初始濃度下沸石對其的去除情況，可以大致了解沸石的去除能力。

取4 g沸石放在6個盛有200 mL、氨氮濃度分別為30、50、100、150、200 mg/L的燒杯中，進行攪拌吸附實驗(25 ℃、150 rpm)，每隔半個小測定水樣中剩余氨氮的濃度。

不同氨氮初始濃度(30～200 mg/L)下沸石對其吸附去除的情況，可見沸石對氨氮具有較好的去除能力，去除率達到了56%～95.2%。在開始的2小時之內，對氨氮的吸附速率很快，之后速率逐漸降低并達到吸附平衡，氨氮的去除率趨于穩定。

在吸附達到平衡后，計算了平衡時的去除率和氨吸附量。然而隨著氨氮初始濃度由30 mg/L增加至200 mg/L，其去除率呈下降趨勢，由95.2%降為56%，相反沸石的吸附能力則由1.9 mg/g提高到7.5 mg/g。其原因是沸石表面的吸附位隨著氨氮濃度增加很快達到飽和，從而造成目標物去除率的明顯降低，同時氨氮濃度的提高也會加大吸附過程的傳質動力，進而強化其向沸石內部擴散，使沸石吸附能力得到大大提高。

2.4 pH值影響

廢水的pH值是影響沸石吸附性能的重要影響因素，一方面因為它影響著被吸附物質的存在形式，另一方面也影響到吸附劑表面電荷的特性。pH對于氨氮的去除影響主要是由于H+與氨氮的競爭吸附和在不同的pH條件下會改變氨氮的形態，隨著氨根離子的被沸石吸附，溶液的pH會不斷升高，見公式2所示。因此，pH影響沸石對于氨氮的吸附。

(2)

取7份4 g沸石，在常溫下進行3 h的攪拌實驗(25 ℃、150 rpm)。原水的體積為200 mL，氨氮濃度為100 mg/L。調整溶液的pH值分別為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，然后靜沉測水中剩余氨氮濃度，計算去除率。結果如圖1所示。

圖1pH對氨氮去除的影響

實驗結果表明，當原水pH值在5～8時，沸石的吸附量與氨氮的去除率變化不大；當原水pH值在5～8之外時，沸石的吸附量與氨氮的去除率急劇下降。這是由于在pH值較低時，由于H+的濃度較高，NH4+必然在沸石交換位置上與H+產生競爭交換，故沸石對NH4+的去除率較低。當水的pH值接近7時，H+的影響較小，主要表現為沸石對NH4+的交換吸附，因而沸石對NH4+的吸附率達到最高。當pH值繼續升高，水中OH-增多，NH4+易與OH-結合，形成游離態的NH3。NH3不帶電，不易與沸石中的Na+發生離子交換，主要依靠沸石的表面吸附作用，故沸石對NH4+的去除率降低，而當pH值達到堿性范圍后，NH4+與OH-結合形成氨氣，溶液中NH4+濃度逐漸變小，從而使水體中NH4+濃度進一步降低。

可見污水pH值范圍在5～8時，沸石吸附氨氮效果最好，而在pH在5～8范圍以外運行時，沸石對氨氮吸附能力會降低。

3 結束語

采用天然沸石處理模擬生活污水，考察投加量、吸附時間、氨氮初始濃度和pH值等因素對污水中氨氮的處理效果，結果如下：

(1)模擬生活污水的氨氮濃度條件下，適宜的沸石投加量為4 g/200 mL。

(2)在1～3 h之間，隨著吸附時間的增加，氨氮去除效果增加較快。3～10 h之后氨氮去除率變化不明顯，基本維持在70%～80%左右，吸附時間選擇3 h較適宜。

(3)不同氨氮初始濃度(30～200 mg/L)下，氨氮的去除率達到了56%～95.2%。2 h后去除速率逐漸降低并達到吸附平衡，氨氮的去除率趨于穩定。吸附達到平衡后，隨著氨氮初始濃度增加，去除率呈下降趨勢。

(4) pH值范圍在5～8時，沸石吸附氨氮效果最好。