氨氮廢水怎么處理

目前，煤矸石和高爐渣已成為我國產(chǎn)煤和煉鐵行業(yè)排放的主要固體廢棄物，其產(chǎn)量巨大，利用率低，如煤矸石的利用率還不到15%，既占用了土地，又污染了環(huán)境。研究表明，可利用這兩種固體廢物含有黏土礦物及多孔的性質(zhì)來生產(chǎn)沸石，用于對污水中氨氮的處理。如雷保義等利用煤矸石制備4A沸石，王國貞等研究了改性煤矸石處理氨氮廢水，對氨氮的去除率可達到62.46%。

筆者利用煤矸石和高爐渣采用不同方法合成了2種新型沸石，并研究了2種沸石吸附氨氮廢水中氨氮的工藝條件及吸附機理，為氨氮廢水的處理和煤矸石、高爐渣的資源化利用提供了新途徑。

1 實驗部分
 
1.1 實驗材料及儀器
實驗材料：實驗用煤矸石取自內(nèi)蒙古自治區(qū)某洗煤廠，其化學組成（質(zhì)量分數(shù)）：SiO2 50%，Al2O3 20%，CaO 2.5%，MgO 2.4%，F(xiàn)e2O3 0.09%，TiO2 1.9%，Na2O 1.4%。高爐渣取自包鋼煉鐵廠，其化學組成（質(zhì)量分數(shù)）：SiO2 37.56%，Al2O3 8.97%，CaO 36.83%，MgO 8.5%，F(xiàn)e2O3 0.91%。

實驗廢水：模擬稀土氨氮廢水，氨氮質(zhì)量濃度為107 mg/L，pH為7.0，濁度為5 NTU，COD為1.3 mg/L。

實驗儀器：HY-B2型回旋振蕩器，常州國華電器有限公司；752型分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；GZX-9140MBE型數(shù)顯鼓風干燥箱，上海博迅實業(yè)有限公司；HI98128 pH微電腦測試筆，北京科偉永興儀器有限公司；07HWS-2型恒溫磁力攪拌器，杭州儀表電機有限公司；箱式電爐，洛陽華冠窯爐設(shè)備廠；SK2210LHC超聲波儀，上?？茖С暡▋x器有限公司。實驗試劑：氯化銨，分析純；氫氧化鈉，分析純；碘化汞，分析純；碘化鉀，分析純；酒石酸鉀鈉，分析純；鹽酸，質(zhì)量分數(shù)36%；硫酸，質(zhì)量分數(shù)98%。

1.2 合成沸石的制備
煤矸石沸石：將煤矸石水洗烘干，粉碎后過 0.125 mm（120目）篩備用，與NaOH按質(zhì)量比1∶2.5在鎳坩堝中混合均勻，在600 ℃下焙燒2 h后冷卻磨碎過篩，加一定量蒸餾水確定固液比為14 mL/g，混合物在磁力攪拌器中陳化20 h，晶化1 h過濾后水洗至中性，于105 ℃干燥5 h得產(chǎn)品，所得沸石為黑色粉末狀。

改性煤矸石沸石：將經(jīng)過預處理后的高爐渣與煤矸石混合后按前述煤矸石沸石制備的步驟進行改性處理，與前述步驟不同之處是水洗后在一定溫度下進行超聲波處理然后進行晶化，其他步驟相同，干燥后得產(chǎn)品。

1.3 吸附實驗
準確稱取一定量的合成沸石于250 mL錐形瓶中，加入50 mL氨氮廢水；用回旋振蕩器以150 r/min速度振蕩一段時間，靜置30 min后過濾，吸取一定量的濾液測定其NH3-N的濃度，并計算去除率及吸附量。

1.4 分析方法
對廢水中NH3-N的測定采用納氏試劑分光光度法。得到校正后的標準曲線線性擬合直線方程為：y=3.595 9x-0.0011。

2 結(jié)果與討論
 
2.1 沸石投加量對氨氮去除率的影響
沸石投加量是一個能夠直接反應沸石優(yōu)劣的指標，取50 mL氨氮廢水，在氨氮初始質(zhì)量濃度為107 mg/L，振蕩時間為2 h，廢水pH=7.3的條件下，考察兩種沸石在投加質(zhì)量依次為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 g時對氨氮的去除效果，結(jié)果見圖 1。

 

 圖 1 投加量對氨氮去除率的影響

從圖 1可見，在沸石投加質(zhì)量為0.3~1.2 g時，兩種沸石對氨氮廢水中氨氮的去除率隨著沸石投加量的增加而增大，當投加質(zhì)量為1.2 g時，氨氮的去除率達到最大，煤矸石沸石為74.67%，改性煤矸石沸石為65.12%；而當投加質(zhì)量＞1.2 g時，氨氮去除率基本不變。這是因為隨著沸石投加量的不斷增加，沸石顆粒之間的相互作用增強，單位質(zhì)量沸石的可用吸附面積降低，逐漸達到吸附平衡狀態(tài)。選擇最佳投加質(zhì)量濃度為24 g/L。

2.2 沸石振蕩時間對氨氮去除率的影響
振蕩時間在沸石吸附過程中是一個非常重要的參數(shù)，B. Beler-Baykal等研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時間影響著沸石的離子交換容量。

取50 mL氨氮廢水，固定沸石投加質(zhì)量濃度為24 g/L，廢水其他條件不變，改變振蕩時間分別為15、30、45、60、120、180 min，考察振蕩時間對氨氮去除率的影響，結(jié)果見圖 2。

 

 圖 2 振蕩時間對氨氮去除率的影響

由圖 2可知，振蕩時間在15~45 min時，兩種合成沸石對氨氮去除率呈線性增加趨勢，且直線斜率很大。在60 min時，煤矸石沸石對氨氮的去除率達到最大，為82.86%；在45 min時改性煤矸石沸石對氨氮去除率達到最大，為69.40%；隨著振蕩時間的增加，去除率逐漸減小，所以選擇兩種沸石振蕩時間分別為60、45 min。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是后者液固比減小，同時由于超聲波作用縮短了振蕩時間。

2.3 廢水pH對氨氮去除率的影響
取50 mL氨氮廢水，固定沸石投加質(zhì)量濃度為24 g/L，煤矸石沸石振蕩時間為60 min，改性煤矸石沸石振蕩時間為45 min，廢水其他條件不變，調(diào)節(jié)廢水pH分別為3、6、7、8、10、13，考察廢水pH對氨氮去除率的影響，結(jié)果見圖 3。

 

 圖 3 廢水pH對氨氮去除率的影響

由圖 3可以看出，氨氮去除率隨著pH的增大逐漸降低，這可能是由于pH較高時，廢水中的氨氮主要以NH3形式存在，使得NH4+的交換能力減弱，氨氮的去除率因此隨著pH的升高而降低。另外，pH過高容易造成設(shè)備的腐蝕，而調(diào)節(jié)pH會增加運行成本，所以本實驗條件下，以原水pH為最佳不再調(diào)節(jié)廢水pH，此時兩種沸石對氨氮的去除率分別為63.62%、57.29%。

2.4 與傳統(tǒng)沸石的性能對比
將1.0 g天然沸石、粉煤灰沸石、煤矸石沸石、改性煤矸石沸石，分別加入到50 mL質(zhì)量濃度為107mg/L的稀土氨氮廢水（廢水pH調(diào)到7）中，振蕩60 min后測得氨氮去除率為分別為83.50%、46.30%、61.70%、56.77%。吸附容量分別為3.727 7、2.717 8、3.300 9、3.037 2 mg/g?？梢姾铣傻姆惺确勖夯曳惺瘜U水中氨氮的去除效果要好，吸附容量介于天然沸石與粉煤灰沸石之間。

2.5 等溫吸附方
將稀土氨氮廢水稀釋到不同濃度，分別與合成沸石構(gòu)成系列固-液系統(tǒng)，當各個系統(tǒng)達到吸附平衡時，計算其中NH4+濃度ce、液相平衡濃度qe，以ce為橫坐標qe為縱坐標作吸附等溫線圖，見圖 4。

 

 圖 4 沸石吸附氨氮等溫線

將吸附等溫線數(shù)據(jù)通過Langmuir方程、Freundlich方程、Temkin方程進行擬合，結(jié)果顯示，F(xiàn)reundlich方程能更好地描述兩種合成沸石對氨氮的吸附行為。具體參見m.tax-pages.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論
（1）采用不同的方法合成2種新型沸石，吸附氨氮廢水的最佳條件為：沸石投加質(zhì)量濃度為24 g/L，煤矸石沸石的振蕩時間為60 min，改性煤矸石沸石的振蕩時間為45 min，pH均為7左右；在此條件下兩種沸石對氨氮的去除率各自達到最高，煤矸石沸石為63.63%，改性煤矸石沸石為57.29%。

（2）煤矸石沸石、改性煤矸石沸石的吸附容量略低于天然沸石的，但是比粉煤灰沸石的吸附容量要高。

（3）Freundlich方程能更好描述改性煤矸石沸石和煤矸石沸石對氨氮的吸附行為。