沸石处理模拟生活污水中氨氮效果影响因素分析

(哈尔滨商业大学食品工程学院环境工程系，哈尔滨 150076)

0 引 言

沸石(Zeolite)，是沸石族矿物的总称，是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物[1-2]，化学组成可以在相当大的范围内变化，因而很多沸石只能给出近似的化学式，理想的沸石化学式为[3]：Mx/n[AlxSiyO2(x+y)]·pH2O，式中M为碱金属(如Na、K、Li)和/或碱土金属(如Ca、Mg、Ba、Sr)，n是阳离子电荷数。一般沸石的化学式还可写成氧化物形式：M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O，从上式可以看出，沸石的化学成分实际上是由Al2O3、SiO2、H2O和金属阳离子四部分构成。

黑龙江省海林沸石岩矿区有丰富的沸石资源，目前天然沸石是一种新兴材料，被广泛应用于工业、农业、国防等部门[4]，由于天然沸石对氨氮具有选择交换性，因此已经被成功地应用于污水处理领域[5]。例如，美国和日本都已经建造了一定规模的天然沸石污水处理厂。对比传统活性法生物脱氮工艺，沸石去除氨氮具有效果好，节约曝气能耗等优点[6-8]。文中采用海林地区的天然沸石，用于处理模拟生活污水，考察投加量、吸附时间、氨氮初始浓度和pH值等因素对污水中氨氮的处理效果。

1 实验材料与方法

1.1 实验方法

称取30 g相同粒径天然沸石放入500 mL锥形瓶中，加入所配制的10 g/LNH3-N(C0)的NH4Cl溶液200 mL，置恒温水浴振荡器中于25 ℃下振荡，使氨氮在液相和沸石固相间分配达到平衡，72 h后取出样品静置15 min，取上清液测定NH3-N平衡浓度(Ce)，计算沸石对NH3-N的吸附容量(mg/g)，其计算公式如下：

Q= (C0-Ce)×V/m

(1)

式中，C0为NH4Cl溶液起始浓度，mg/L；Ce为吸附后NH4Cl溶液平衡浓度，mg/L；V为溶液体积，L；m为沸石重量，g。

1.2 实验水质

实验向蒸馏水中分别加入适量啤酒，氯化铵以及磷酸二氢钾以模拟生活污水作为实验原水，使原水中氨氮含量、COD及正磷酸盐含量，维持于下表1所示范围以内。

表1实验用水水质范围

1.4 分析项目与方法

实验分析项目与方法见表2。

表2分析项目及方法

2 实验结果与分析

2.1 沸石投加量的影响

称取沸石1、2、3、4、5 g，置于盛有200 mL废水、氨氮浓度为100 mg/L的烧杯中，进行搅拌吸附实验(25 ℃、150 rpm)，3 h后测水中的氨氮值。不同沸石量对氨氮吸附的影响。

随着沸石量的不断增加，对于氨氮的去除呈不断增加的趋势，当沸石量为1 g时，3 h后对于氨氮的去除率为33.4%，再增加到4 g的时候，沸石对氨氮的去除率达到80.5%。之后，再随着沸石量的增加，氨氮去除率逐渐趋于平缓，氨氮的去除率基本维持这个水平。因此，在模拟生活污水的氨氮浓度条件下，适宜的沸石投加量为4 g/200mL。

2.2 沸石吸附时间的影响

选择沸石的投加量为4 g，考察不同的吸附时间对氨氮去除效果的影响，吸附时间选择1～10 h，在1～3 h之间，随着吸附时间的增加，氨氮去除效果增加较快。3～10 h之后氨氮去除率变化不明显，基本维持在70%～80%左右。因此，吸附时间选择3 h较适宜。

2.3 氨氮初始浓度影响

氨氮的浓度差为克服由水相到固相表面传质阻力提供了动力，同时也影响着沸石对其吸附的能力和效率，通过考察不同氨氮初始浓度下沸石对其的去除情况，可以大致了解沸石的去除能力。

取4 g沸石放在6个盛有200 mL、氨氮浓度分别为30、50、100、150、200 mg/L的烧杯中，进行搅拌吸附实验(25 ℃、150 rpm)，每隔半个小测定水样中剩余氨氮的浓度。

不同氨氮初始浓度(30～200 mg/L)下沸石对其吸附去除的情况，可见沸石对氨氮具有较好的去除能力，去除率达到了56%～95.2%。在开始的2小时之内，对氨氮的吸附速率很快，之后速率逐渐降低并达到吸附平衡，氨氮的去除率趋于稳定。

在吸附达到平衡后，计算了平衡时的去除率和氨吸附量。然而随着氨氮初始浓度由30 mg/L增加至200 mg/L，其去除率呈下降趋势，由95.2%降为56%，相反沸石的吸附能力则由1.9 mg/g提高到7.5 mg/g。其原因是沸石表面的吸附位随着氨氮浓度增加很快达到饱和，从而造成目标物去除率的明显降低，同时氨氮浓度的提高也会加大吸附过程的传质动力，进而强化其向沸石内部扩散，使沸石吸附能力得到大大提高。

2.4 pH值影响

废水的pH值是影响沸石吸附性能的重要影响因素，一方面因为它影响着被吸附物质的存在形式，另一方面也影响到吸附剂表面电荷的特性。pH对于氨氮的去除影响主要是由于H+与氨氮的竞争吸附和在不同的pH条件下会改变氨氮的形态，随着氨根离子的被沸石吸附，溶液的pH会不断升高，见公式2所示。因此，pH影响沸石对于氨氮的吸附。

(2)

取7份4 g沸石，在常温下进行3 h的搅拌实验(25 ℃、150 rpm)。原水的体积为200 mL，氨氮浓度为100 mg/L。调整溶液的pH值分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，然后静沉测水中剩余氨氮浓度，计算去除率。结果如图1所示。

图1pH对氨氮去除的影响

实验结果表明，当原水pH值在5～8时，沸石的吸附量与氨氮的去除率变化不大；当原水pH值在5～8之外时，沸石的吸附量与氨氮的去除率急剧下降。这是由于在pH值较低时，由于H+的浓度较高，NH4+必然在沸石交换位置上与H+产生竞争交换，故沸石对NH4+的去除率较低。当水的pH值接近7时，H+的影响较小，主要表现为沸石对NH4+的交换吸附，因而沸石对NH4+的吸附率达到最高。当pH值继续升高，水中OH-增多，NH4+易与OH-结合，形成游离态的NH3。NH3不带电，不易与沸石中的Na+发生离子交换，主要依靠沸石的表面吸附作用，故沸石对NH4+的去除率降低，而当pH值达到碱性范围后，NH4+与OH-结合形成氨气，溶液中NH4+浓度逐渐变小，从而使水体中NH4+浓度进一步降低。

可见污水pH值范围在5～8时，沸石吸附氨氮效果最好，而在pH在5～8范围以外运行时，沸石对氨氮吸附能力会降低。

3 结束语

采用天然沸石处理模拟生活污水，考察投加量、吸附时间、氨氮初始浓度和pH值等因素对污水中氨氮的处理效果，结果如下：

(1)模拟生活污水的氨氮浓度条件下，适宜的沸石投加量为4 g/200 mL。

(2)在1～3 h之间，随着吸附时间的增加，氨氮去除效果增加较快。3～10 h之后氨氮去除率变化不明显，基本维持在70%～80%左右，吸附时间选择3 h较适宜。

(3)不同氨氮初始浓度(30～200 mg/L)下，氨氮的去除率达到了56%～95.2%。2 h后去除速率逐渐降低并达到吸附平衡，氨氮的去除率趋于稳定。吸附达到平衡后，随着氨氮初始浓度增加，去除率呈下降趋势。

(4) pH值范围在5～8时，沸石吸附氨氮效果最好。