改性硅藻土与珍珠岩联合处理氨氮废水的研究

马万征，刘帅帅，马万敏，谢越，邹海明，王艳，谢晶晶

(1.安徽科技学院资源与环境学院，安徽凤阳 233100;2.农业部生物有机肥创制重点实验室，安徽蚌埠 233000;3.青岛市开发区农机监理管理站，山东青岛 266555)

氨氮的含量是水体富营养化的重要指标之一，当水体中氨氮的浓度达到一定数值时，将会对水生生物的正常生长产生严重的危害，进而影响到人们的生活。随着人们生活水平的提高，水质富营养化的问题也日益严重［1］。随着人们对氨氮危害水环境质量认识的深入了解，在废水处理过程中，对氨氮的处理标准也日益严格。

目前中国氮污染十分严重，其中两个主要来源是:①在农业生产过程中，由于生产水平的限制，不合理施用氮肥所导致的面源污染;②在工业生产中，片面的追求经济效益，高浓度含氮废水和大量低浓度含氮废水的超标排放所导致的点源污染［2］。氨氮废水的大量排放，使水体中的氨氮含量大量增加，这些氨氮废水在通过生物化学作用去除的过程中会消耗大量的氧气，使水体产生富营养化效应。在这种环境下，由于供水生植物生长的营养物质充足，使水生植物的生长速度加快，消耗水体中大量的氧气，水体供氧不足，部分植物在生长过程中对生存环境的要求较高，将造成大量的动植物的死亡;动植物的大量死亡，也会反作用于水体，使水体中的氧气含量进一步降低，最终严重影响水体水质［3］。吸附法是目前处理氨氮废水的一种重要方法［4］。

由于硅藻土本身所具有的特性，使其在生产生活中得到广泛的应用［5］。硅藻土的化学组成成分，导致硅藻土的吸附能力有限，不能够有效的去除废水中的氨氮含量，通过对硅藻土进行改性处理，使得硅藻土的部分性质得到优化，最终提高硅藻土对氨氮的吸附能力，使废水中的氨氮得到有效地去除［6］。珍珠岩廉价易得，用改性硅藻土和珍珠岩联合处理氨氮废水，如果具有良好的效果，将会对水处理工艺中氨氮的有效去除提供帮助，同时降低废水处理的成本。前人的研究表明，生物法和化学法去除水体中高浓度氨氮较为常用且有效［7］。在适宜条件下，改性硅藻土对氨氮废水的处理具有显著效果［8-9］。不同浓度的氨氮废水处理的方法不同［10-11］。

本文在不同的条件下，改变振荡吸附时间、珍珠岩的加入量、pH值、反应温度，测出在不同的影响因素下氨氮的去除率，以期在适宜条件下，珍珠岩对含氮废水的去除率达到最大，为后期的废水处理工艺提供必要的参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硫酸锌、氢氧化钠、氢氧化钾、碘化钾、碘化汞、氯化铵、铵标准贮备溶液、酒石酸钾钠、硅藻土、珍珠岩均为分析纯。

721N分光光度计;DHG-910·3S电热鼓风干燥箱;FA2004B万分之一天平;PHS-3C酸度计。

1.2 实验方法

1.2.1 含氨氮废水 利用氯化铵配制含氨氮废水。

1.2.2 改性硅藻土制备 称取124.4 g氯化铝，加入浓度为10%的氢氧化钠溶液中，结晶氯化铝与氢氧化钠按摩尔比2∶1混合，搅拌使之均匀，静置2 d，称取45 g硅藻土加入溶液中，搅拌至混合均匀，风干碾碎，倒入容器中备用。

1.2.3 测定方法 首先对水样进行预处理，得到馏出液，加入到比色管中，再加入其他溶液，定容至50 mL，混合均匀，静置一段时间后，用分光光度计测定吸光度。

1.2.4 氨氮标准曲线的绘制 配制标准氨溶液，绘制标准曲线，然后配制不同浓度的氨氮溶液，分别为0，0.01，0.02，0.06，0.10，0.14，0.20 mg/mL，通过标准曲线计算出氨氮浓度，进而计算出氨氮的第一吸附量X1。

利用分光光度计测出氨氮废水的吸光度，通过数据分析，得到氨氮标准曲线方程:y=1.797x+0.054 5，R2=0.996 4，其中 x 轴为氨氮浓度(mg/mL)，y轴为吸光度(A)。

2 结果与讨论

2.1 不同投加量对氨氮废水吸附性能的影响

为了确定珍珠岩的最佳投加量，先确定pH值为6、振荡吸附时间为20 min、反应温度30℃，在100 mL 的水样中分别添加珍珠岩 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 g 时，分析出最佳处理投入量，见图1。

图1 不同投加量对氨氮废水吸附性能的影响Fig.1 Effect of different dosing quantity on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

由图1可知，氨氮的去除率随着珍珠岩的添加量的增加而增加。当珍珠岩的投加量为2.50 g时，氨氮的去除率达到最大，为72.37%。在一定浓度范围内，珍珠岩对氨氮的吸附能力随着投加量的增加而增加;根据相关曲线可以知道y=－0.008x2+0.075 5x+0.565 3，R2=0.940 6;珍珠岩的投加量与氨氮的去除率的决定系数为0.940 6，这说明珍珠岩的投加量对氨氮的吸附所起到的作用很大，即相关性较高。随着投加量的增加，去除率的变化率越来越小。可见，在实际工艺应用中，并不是投加量越大，取得的效果越理想。

2.2 不同pH对含氨氮废水吸附性能的影响

为了找到最佳pH值，在保持振荡吸附时间为20 min、反应温度30℃和投加量为3.5 g时，改变反应溶液的 pH 值分别为 4，5，6，7，8，9，10，得出氨氮去除量，最终可得到最佳的反应pH值，见图2。

由图2可知，当pH=8时，氨氮的去除率最高，为79%;当 pH=6时，氨氮的去除率最低，为68.16%。根据相关曲线分析可知，决定系数为0.296 2，这说明pH值对氨氮的去除率所起的作用并不大，溶液为酸性时的去除率小于溶液为碱性时的去除率。因此在实际工艺操作中，可以通过调节废水的pH值，使溶液的pH值为中性或弱碱性，从而使得氨氮的去除率达到最大效益。

图2 不同pH值对含氨氮废水吸附性能的影响Fig.2 Effect of different pH on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

2.3 不同温度对氨氮废水吸附性能的影响

为了找到最佳的反应温度，保持其他反应条件不变，即吸附振荡时间20 min，珍珠岩的投加量为3.5 g/100 mL，溶液pH值为8，通过改变反应溶液的温度，考察温度梯度分别为 20，25，30，35，40，45，50℃时的氨氮去除量，结果见图3。

图3 不同温度对氨氮废水吸附性能的影响Fig.3 Effect of different temperature on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

由图3可知，温度为35℃时，氨氮的去除率最高，为72.35%。通过回归方程拟合，得到决定系数为0.829 3，温度对废水中氨氮的去除率所起到的作用比较大。温度在25～45℃时，氨氮的去除率相差不大，在71%左右;在一定范围内，氨氮的去除率随着温度的升高而增大，当超过了35℃时，氨氮的去除率随着温度的增高而降低。在废水处理工艺中，为了节省开支，降低能源消耗，可以考虑尽量少的调节温度。

2.4 不同时间对氨氮废水吸附性能的影响

固定最佳珍珠岩的投加量3.5 g/100 mL，最佳的反应pH值为8，温度25℃。改变吸附振荡时间，考察吸附振荡时间分别为 20，30，40，50，60，70，80 min时的氨氮去除率，见图4。

由图4可知，振荡时间为70 min时，氨氮的去除率最高，为 70.68%。但是，在废液振荡 20～80 min时间段内，振荡效果基本相同，氨氮的去除率为70%左右，由此可知，振荡的时间对氨氮的去除率基本没有影响。

图4 不同时间对氨氮废水吸附性能的影响Fig.4 Effect of different time on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

综上所述，珍珠岩处理氨氮废水的最佳条件为珍珠岩的投加量为2.5 g/100 mL，pH值为7，反应温度为35℃，振荡时间为30 min，去除率最大。

在改性硅藻土效率最高的条件下，用改性硅藻土对珍珠岩处理过的氨氮废水进行处理，得出第二吸附量X2。不同处理方式对氨氮废水吸附性能的影响见表1。

表1 不同处理方式对氨氮废水吸附性能的影响Table 1 Effect of different treatment on the adsorption properties of wastewater containing ammonia nitrogen

由表1可知，在各自最佳的条件下，珍珠岩处理氨氮废水的去除率约为82%，改性硅藻土处理珍珠岩处理后的废水的去除率也为82%，说明只用珍珠岩处理氨氮废水和用珍珠岩、改性硅藻土处理氨氮废水的去除率基本相同。联合处理氨氮废水并不能有效的提高氨氮的去除率。

实验表明，用珍珠岩处理氨氮废水的效果，并没有用改性硅藻土的处理效果好。在适当的条件下，改性硅藻土的吸附能力良好，而在本实验中，用改性硅藻土处理珍珠岩处理过后的氨氮废水，处理前后氨氮的含量基本没有变化。

这可能由于改性硅藻土对于氨氮浓度较高时，具有较强的吸附性能，而当氨氮浓度低于一定的范围时，改性硅藻土对氨氮的吸附效果并不明显。

3 结论

通过研究珍珠岩的投加量、氨氮废水的温度、pH值及吸附振荡时间，确定了在珍珠岩投加量为2.5 g/100 mL，pH值为7，反应温度为35℃时对氨氮的去除效果最好，去除率为79.02%，另外，对已经通过珍珠岩处理的废水再加入改性硅藻土，氨氮废水的处理效果基本保持不变。

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