改性粉煤灰吸附废水中氨氮的试验研究

王 妮，寻之安

(1.山东信标检测服务有限公司，山东 日照 276806；2.日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 276806)

0 引言

粉煤灰是燃煤企业高温燃烧煤粉形成的颗粒状固体废物[1]。长期不使用，随意堆置，不仅浪费土地资源，而且暴露空气中易随风扬尘，受雨水浸蚀污染土壤、水体，严重影响环境质量[2]。生产生活污水、工矿企业废水等[3]都含有大量氨氮，排放至江、河、湖、海等水域，氨氮富集加速了水体污染与恶化[4]。有关文献[5-7]指出当水体中氨氮浓度达到0.2～2.79 mg/L时将导致鱼类死亡，高浓度氨氮亦会造成饮用水异味甚至完全不能饮用，对人体健康产生影响[8]。

目前粉煤灰在废水综合处理应用中开辟了新的途径，相关研究[9-10]采用不同方法处理的粉煤灰作为吸附剂提高了废水中氨氮的吸附处理效率，蔡培杰等[11]以合成沸石的方法提高吸附性能，孙领翔等[12]研究优选条件下的氨氮吸附率达68.27%。

本文通过一种酸改性和酸-碱改性的粉煤灰处理工艺对废水中氨氮吸附能力进行静态单因素实验与影响因素水平正交试验，确定最佳吸附组合条件，为工业应用提供数据支撑。秉承“以废治废”绿色环保综合利用理念，提高粉煤灰吸附氨氮综合效率，降低废水中氨氮的浓度，减少污染物排放，保护生态环境。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验粉煤灰取自火力发电厂，其组成成分见下表1。

表1 粉煤灰成分 %

原水样取自火电厂的脱硫废水，氨氮测定浓度645.3 mg/L，实验中所用废水是稀释处理后得到氨氮浓度为129 mg/L、pH为6.22的水样。

NaOH、H2SO4、HCl、HgCl2、C4H4O6KNa·4H2O、KI、H3BO3等试剂均为分析纯。

1.2 实验仪器

表2 实验仪器

1.3 粉煤灰吸附剂的制备

粉煤灰预处理：用蒸馏水清洗粉煤灰3～4次，过滤后置于105 ℃烘干，磨碎过200目筛备用。

粉煤灰酸改性：将粉煤灰预处理后投入100 ml 2 mol/L的H2SO4溶液中24 h，过滤后置于105 ℃干燥箱中干燥处理，24 h后冷却至常温备用。

粉煤灰酸-碱改性：将粉煤灰预处理后按固液比1∶5与1 mol/L H2SO4溶液+1 mol/L HCl溶液(1∶1配比)搅拌均匀，在50 ℃条件下水浴加热1 h。静置12 h酸改性处理，再洗涤到中性，按1∶2的固液比例用2 mol/L NaOH改性成酸-碱改性。

1.4 实验方法

首先进行单因素实验，采用直接投入法利用两种改性粉煤灰处理50 mL浓度为129 mg/L氨氮废水溶液，研究改性后吸附剂投用量、振荡吸附作用时间、溶液pH值等单一变量因素对废水中氨氮吸附效果的影响。其次进行正交试验，确定优选改性粉煤灰处理氨氮废水时各影响因素的最优水平组合。

2 单因素实验

2.1 吸附剂投加量的影响

图1给出了在振荡吸附作用时间为4 h，吸附剂投加量对废水中氨氮去除率的影响。

吸附废水氨氮的过程中，每单位吸附剂的吸附效率有限，一定范围内增加投加量可以提升吸附处理效率，但加入达到一定量后，吸附作用达到极限，吸附剂的利用效率将会降低。由图1可知，吸附剂投加量在1.0～2.5 g范围内，随着投加量的增加氨氮去除效率呈上升趋势。当投加量为2.5 g时，酸改性吸附剂对氨氮的去除效率为43.8%，酸-碱改性吸附剂对氨氮的去除率为69.9%。当吸附剂投加量大于2.5 g后，由于粉煤灰吸附氨氮趋于饱和状态，随着投加量的增加，氨氮去除效率不再明显变化。因此，两种改性方法处理的吸附剂的适宜投加量均在2.5 g附近，酸-碱改性比酸改性方法处理的粉煤灰吸附效果明显高。

2.2 振荡吸附作用时间的影响

图2是两种吸附剂投加量均为2.5 g，氨氮去除效率受振荡吸附作用时间的影响。

由图2可知，未达到吸附平衡前，随振荡吸附作用时间的增加，水中氨氮迅速向粉煤灰表面迁移扩散，氨氮吸附效率逐渐提高。虽然改性粉煤灰颗粒表面吸附的氨氮可以较快达到吸附平衡[13]，但由于其表面是不规则形状，氨氮需要一定时间进入孔隙内壁才能吸附达到平衡。达到各自最高值后氨氮吸附趋于平衡稳定，随着振荡作用时间增加，去除效率不再有明显变化。对比结果可知，酸-碱改性的粉煤灰对氨氮吸附最优选择作用时间为2 h，酸改性的粉煤灰对氨氮吸附最优选择作用时间为3.5 h，酸-碱改性粉煤灰对氨氮吸附所需时间相对较短。

2.3 溶液pH值的影响

图3是在两种吸附剂投加量均为2.5 g、各自最优振荡吸附作用时间下，废水pH分别为5～14时，去除氨氮效率受pH值的影响。

2.4 最高吸附性能对比

通过分析上述单因素实验结果，氨氮去除效率均与吸附剂投加量、振荡吸附作用时间、溶液pH值有关。

由表3吸附实验的数据可知，从三个因素来看，酸-碱改性粉煤灰对氨氮吸附性能优于酸改性粉煤灰的吸附性能。

表3 最高吸附性能对比

3 正交试验

3.1 正交试验设计

在分析影响氨氮吸附的单因素实验结果基础上，优选以酸-碱改性后的粉煤灰作为吸附剂，振荡速度120 r/min为固定因素，氨氮吸附效率为考察指标，酸-碱改性粉煤灰投加量(A)、振荡吸附作用时间(B)、pH值(C)三个因素为考察因素，进行影响氨氮吸附因素水平的正交试验，确定最适的因素水平组合。选用L9(34)正交试验表，见表4。

表4 正交试验因素水平表

3.2 正交试验结果

正交试验结果见表5。

表5 正交试验结果

3.3 正交试验极差分析

表6是使用极差分析法对表5正交试验结果的分析。振荡吸附时间的R值最大，表示其最重要；pH值的R值其次，表示相对重要；投加量R值最小，表示其相对不重要。因此影响氨氮吸附效果的各个因素水平的重要顺序依次为振荡吸附作用时间、原水pH、酸-碱改性粉煤灰投加量。从表6看出：A因素k2最大，B因素k3最大，C因素k1最大，因此优选组合为A2B3C1，即酸-碱改性粉煤灰投加量为2.5 g，振荡吸附作用时间为2.5 h，初始pH=8。

表6 极差分析表

3.4 正交试验方差分析

表7是对表5的方差分析结果。B因素F比值>F0.05(2，2)，对试验结果有显著影响。A、C因素F比值

表7 方差分析表

4 结论

本文以酸改性、酸-碱改性的粉煤灰作为吸附剂，通过对氨氮废水进行氨氮静态单因素吸附实验与正交吸附试验，得出以下结论：

(1)单因素实验结果可知：废水中氨氮去除效果均与改性粉煤灰投加量、振荡吸附作用时间、初始pH值有关；两种改性方法最高吸附性能对比，酸-碱改性粉煤灰对氨氮吸附性能优于酸改性粉煤灰的吸附性能。

(2)正交试验结果可知：影响处理废水氨氮吸附效果的各个因素水平的重要顺序依次为振荡吸附作用时间>初始pH>酸-碱改性粉煤灰投加量；优选组合方案为吸附剂投加量为2.5 g、振荡吸附作用时间为2.5 h、初始pH=8。

酸-碱改性粉煤灰作为一种环保的水处理材料，能够有效去除废水中氨氮，为工业型粉煤灰处理废水技术提供参考。