高浓度氨氮废水处理工艺

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高浓度氨氮废水处理工艺

目前，工业废水、垃圾渗滤液、城市污水等高浓度氨氮废水对水体造成的危害已成为全 世 界尖注的环境问题。绝大部分含氨氮的废水在未经任何处理或处理不达标的情况下直接排 入水 体，导致水体污染及富营养化，进而影响上壤、空气等。常见的含氮化合物主要包括有机氮、氨 氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮。苴中氨氮是导致水体富营养化的主要污染物，其排放控制已成为 目前水处理领域的重点和难点。

氨氮废水的处理方法有很多种，国内外学者针对该问题开展了大疑研究。其中吹脱法是 传 统的髙浓度氨氮废水处理方法，其设备占地而积小，操作灵活便捷，但也存在耗能大、处理成本 高等缺点。成泽伟等采用超声波强化吹脱去除氨氮，去除率明显高于一般吹脱技术，且升幅超过 50%。彭人勇等的研究也显示，超声波对吹脱的强化作用可以让氨氮去除率提升30%〜40%。

沸石是含水多孔铝硅酸盐的总称，英晶体构造主要由（SiO）四而体组成，其中的部分Si4+ 为

A13+取代，导致负电荷过剩，故其结构中有碱金属（碱上金属）等平衡电荷的离子，同时沸石 构架

中存在较多的空腔和孔道。上述结构决泄了沸石具有吸附、离子交换等性质，因此英对氨氮 具有很强的选择性吸附能力。

本研究在超声吹脱工艺的基础上，利用改性沸石对超声吹脱后的高浓度氨氮废水进行超声 强化吸附处理，考察了沸石粒度、吸附时间、沸石投加量、吸附温度、吸附超声功率等因素对处 理效果的影响，以期为高浓度氨氮废水的处理提供参考。

一、实验部分

1」材料和仪器

实验所处理废水为模拟高浓度氨氮废水，为NH4C1和超纯水配制的NH4C1溶液，氨氮质 量浓度约为1200mg/L的，实验中以实测浓度为准。

吸附剂选用浙江省缙云县产天然沸石经复合改性后得到的改性沸石，密度2.16g/cm3,硬度 3〜

4,硅铝比 4.25-5.25JL隙率 30%~40%。

D・51型pH计：日本HORIBA有限公司:UV765型紫夕卜■可见分光光度计：上海精密化 学

仪 器有限公司;JJ50型精密电子天平：美国双杰兄弟（集团）有限公司;EVOMA15/LS15型扫 描电 子显微镜：北京欧波同有限公司。

1超用波发4： •器；2反应室；3滾址计：4花泉：5工体吸收靳6温度计；7 pHi+； 8分液诫斗：9超声波换能器

1.2实验方法 121超声吹脱

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实验装垃如图1所示 超声波发生器通过将工频电转变为20kHz以上（一般为20kHz-10MHz） 的高频电信号输送至超声波换能器，产生强有力的超声波丧动，进而传播到废水中，产生一系列 的物理和化学效应，促进废水中污染物的去除。

将1L废水加入反应室中，调节pH至&5,调节温度至28£ （通过下部进水上部出水的夹层实 现温度控制），通过分液漏斗控制促脫剂（乙酸乙酯与表而活性剂AOS以3： 4的质量比配制） 的投加，投加虽:为25mg/L,投加速率为5mg/h.通过气泵泵入外界空气，调节气液 比为600： 浓度达到稳泄，即吹脱已达平衡状态后，停止吹脱。

1 -2.2超声吸附

1;

开启超声装置，调节超声功率为70W,进行连续超声吹脱。每隔lh取水样测 泄氨氮的剩余浓度， 待

利用超声波的空化作用，可对吸附剂的吸附功能进行改善。气泵泵入外界空气，作为空化 气源。超声波产生的气泡随着声波震动迅速膨胀爆破，借助于气泡的迅速爆破，吸附剂孔隙内的 杂质被淸理，增大了孔隙的使用空间，减小了其位阻，使其内部的扩散加快，从而提髙与离子的 交换速率。超声波空化强化传质主要包括4种效应，即湍动效应、微扰效应、界而效应和聚能效 应。通过空化作用可减小氨氮离子的水合半径，克服多孔介质（沸石）的孔隙效应，增加吸附剂 表面的活性位点。

旋开密封塞，将一左量的、一世粒度的沸石投入超声吹脱处理后的反应室中。调节超声吹 脱后废水的PH至设龙值，设置吸附温度，启动超声波发生器，开始汁时，进行超声吸附。每隔 20min取水样待测，反应一段时间后矢闭超声波发生器。

1.3分析方法

采用纳氏试剂分光光度法测左废水中氨氮的质量浓度，测左波长420nm,使用光程10mm的 玻璃比色皿。采用pH计测定废水pH.

利用SEM技术观察沸石的微观形貌。 二、结果与讨论

经超声吹脱处理后，废水的氨氮去除率约为41.98%。在此基础上，考察超声吸附工段各因 素对总氨氮去除率的影响。

2.1沸石粒度和吸附时间的影响

在沸石投加量为2g/L、吸附pH为&5吸附温度为28 °C、吸附超声功率为100W的条件下， 沸石粒度和吸附时间对总氨氮去除率的影响见图2。

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吸附时间/min

图2沸石粒度利吸附时间对总氨氮去除率的影响

由图2可见，沸石粒度对氨氮废水的吸附处理过程有着一定的影响。随着沸石粒度的增大， 氨氮的去除率下降，其中0.198〜0.245mm的沸石吸附效果最好，氨氮去除率最高， 0.350〜

0.833mm和0.245〜0.350mm的沸石氨氮去除率相对较低。3种不同粒度沸石的氨氮去除 率虽然不

同，但是随着吸附时间的延长其氨氮去除率的变化趋势相似，说明其离子交换模 式相 同，只是因粒度不同导致吸附量的差异。沸石的粒度越小，苴总的比表面积越大，故英吸附效果 也最好。

由图2还可见，吸附60min后，所有粒度沸石的氨氮去除率随时间的变化幅度均很小，说明 氨氮的吸附已基本达到平衡。随着吸附时间的延长，废水中氨氮浓度下降，沸右对氨氮的吸附和 解吸逐渐达到一个平衡点，继续延长吸附时间，沸石处理氨氮的效能不再增加。综上，选择吸附 时间为60min。

2.2沸石投加虽的影响

在沸石粒度为Oj 98-0.245mm、吸附时间为60min、吸附pH为&5、吸附温度为289、吸附 超声功率为70W的条件下，沸石投加量对总氨氮去除率的影响见图3。

图3沸石投加量对总氨氮去除率的影响

由图3可见：随着沸石投加量的增加，氨氮的去除率持续上升;当沸右投加量达到4g/L后， 氨氮去除率的增幅很小。随着投加量的增加，去除率能够在短时间内达到较髙值。当投加量超过

4g/L时，沸石的吸附量会随着其投加量的增加而减少，氨氮去除率也趋于稳定。综合考虑沸石 的

吸附效果和处理成本，选择沸石投加星为4g/L较适宜。

2.3吸附pH的影响

在沸石粒度为0.198〜0.245mm、吸附时间为60min、沸石投加量为4g/L、吸附温度为289、 吸附超声功率为70W的条件下，吸附pH对总氨氮去除率的影响见图4。

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吸附pH

图4吸附pH对总氨氮去除率的影响

沸石对氨氮的吸附过程主要包括离子交换与单纯的物理孔洞吸附两种方式。氨氮在水中以

NH4+离子状态和NH3分子状态存在，随着溶液pH的变化，两种状态之间可以相互转化。沸 石对

水中氨氮的吸附以离子交换为主，因此受pH的影响较大。由图4可见：废水呈中性的情 况下，沸石对氨氮的吸附效果最佳;当pH髙于或低于7.0时，氨氮的去除率均下降。

2.4吸附温度的影响

在沸石粒度为0.198-0.245mm、吸附时间为60min、沸石投加量为4g/L、吸附pH为7.0、 吸附超声功率为70W的条件下，吸附温度对总氨氮去除率的影响见图5a

85

60・

55 .......... 1 ................. 1 ................... 1 .................. 1 ................... 1

20 25 30 35 40

吸附温度尺：

图5吸附温度对总氨氮去除率的影响

由图5可见，当温度在2O~3O°C之间时，沸石对氨氮的去除率随温度的升高逐渐增大，说明 提高吸附温度有利于沸石对氨氮的吸附;但当温度超过30乜时，氨氮的去除率却随温度的升高 而降低;当温度为30乜时，氨氮的去除率最高，达7739%.废水中氨氮分子的运动模 式是布朗运动，当处理环境的温度升高时，氨氮分子的运动速度加快，与吸附剂颗粒的接触频 率增多，有利于吸附的进行。但吸附机理的研究表明，沸石吸附氨氮的过程是一个放热反应， 因此在温度过高时，沸石对氨氮的吸附量反而会下降。综上，选择吸附温度为3。七左右较适 宜。

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2.5超声功率的影响

在沸石粒度为0.198〜0.245mm、吸附时间为60min、沸石投加疑为4g/L、吸附pH为7.0、 吸附温度为30°C的条件下，吸附超声功率对总氨氮去除率的影响见图6o

图6吸附超声功率对总氨氮去除率的影响

由图6可见，超声功率越大，氨氮的去除率越高。这是因为，随着超声功率的加大，超 声 波产生的能量也增加，使得超声波的空化效应增强，有利于氨氮的去除。综合考虑能耗成本和处 理效果，本实验选择吸附超声功率为100W。

26沸石的SEM照片

不同放大倍数下沸石的SEM照片见图7。由图7可见，沸石表面具有非常明显的空洞结构， 5 um的长度会有一到两个大孔洞，而在10000倍的镜头下，可见呈蜂窝状的细小孔洞遍布于沸 石

中，且沸石表而整体比较粗糙，凹凸不平。这些微观结构是沸石具有较强吸附和离子交换能力 的矢键。

图7不同放大倍数下沸石的SEM照片

为了进一步研究超声波的空化作用，将沸石进行60min的超声处理，超声处理前后沸 石的 SEIV1照片见图8。由图8可见：超声处理后，沸石表而的孔隙结构更为稀疏，可能是超声处理 淸理了

一些杂质所致。超声处理后，沸石的孔隙率增大，位阻减少，加快了离子的

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交换速率，有利于氨氮的吸附。

图8趙声处理前后沸右的SEM照片

三.结论

a） 超声吸附处理氨氮废水的优化工艺条件为：沸石粒度0.198〜0.245mm，吸附时间

60min,沸石投加量4g/L,吸附pH7.0,吸附温度30°C,吸附超声功率100W。在该条件下，超声吹脱

一吸附工艺的总氨氮去除率可达77.39%,较单独超声吹脱工艺的41.98%大幅提高。

b） 超声吸附处理在进一步提高超声吹脱工艺对氨氮废水处理效果的同时，对处理条件的

要求降低，pH只需中性即可，具有一定的工业应用前景。（