改性沸石在河道治理中氨氮吸附-脫附工藝的研究

范佳奇

【摘 要】應(yīng)用改性沸石對(duì)河道水體進(jìn)行深度處理，能夠十分有效地將其中所含中低濃度氨氮降至到1 mg/L以下，達(dá)到GB? 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中III類水氨氮水平。論文研究了在處理水體中氨氮時(shí)，停留時(shí)間、上升流速等對(duì)吸附的影響，同時(shí)考察了次氯酸鈉氧化法與電化學(xué)氧化法對(duì)沸石脫附液再生的效果。

【Abstract】The application of modified zeolite in advanced treatment of river water can effectively reduce the concentration of ammonia nitrogen to less than 1 mg/L， which can achieve the Level of ammonia nitrogen of class III water of GB 3838—2002 "Surface Water Environmental Quality Standard". The paper studies the effects of residence time and upwelling velocity on the adsorption of ammonia nitrogen in water， and investigates the regeneration of zeolite desorption solution by sodium hypochlorite oxidation and electrochemical oxidation.

【關(guān)鍵詞】河道治理;氨氮;改性沸石;吸附;脫附

【Keywords】river regulation; ammonia-nitrogen; modified zeolites; adsorption; desorption

【中圖分類號(hào)】X52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0153-02

1 引言

隨著我國(guó)在環(huán)境保護(hù)方面治理水平與要求的不斷提高，人們對(duì)地表水水體的修復(fù)與維護(hù)也日益重視。2018年在京召開的全國(guó)環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議，提出到2020年，全國(guó)地表水III類以及III類以上的水體占比達(dá)到70%以上。氨氮濃度作為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中評(píng)價(jià)水體的主要指標(biāo)之一，它的有效去除是水體水質(zhì)優(yōu)化的重要因素?，F(xiàn)在對(duì)于水中氨氮處理一般使用生化法，但其中的硝化細(xì)菌[1]受溫度影響大，在低溫環(huán)境下，活性抑制明顯，處理效率方面會(huì)發(fā)生很大下降;汽提氨氮吹脫法[2]對(duì)高濃度氨氮廢水有一定的處理效果，但去除率較低，而工藝中需要加熱，并投加大量的堿;化學(xué)沉淀[3]與氧化法[4]去除率高，速度快，但試劑費(fèi)用高。為了適應(yīng)河道水體氨氮含量較低，水量較大的特點(diǎn)，需要找到一種速度快、成本低、高效率的方法來進(jìn)行污染物的治理。

2 方法與材料

2.1 目標(biāo)廢水的水質(zhì)情況

本研究中的目標(biāo)水體為某市A段河道的地表水水體，水體中氨氮濃度為12.7～16.3mg/L，出水水質(zhì)要求達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中III類水標(biāo)準(zhǔn)，即氨氮<1mg/L。

2.2 試劑

本研究中采用的所有試劑為工業(yè)級(jí)，生產(chǎn)廠家為無錫市沃濤化工產(chǎn)品有限公司。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)中的主要反應(yīng)裝置為自研柱狀中試吸附塔，單塔尺寸為?0.6×3.0m，單塔實(shí)際容積1.5m3，整個(gè)吸附裝置由兩個(gè)或多個(gè)塔體串聯(lián)而成。改性沸石在塔體中分兩層填裝，填裝高度1m，經(jīng)測(cè)試，填裝后沸石層間隙率為52.3%，單塔的容水體積為0.8m3。在吸附過程中，將河水從設(shè)置在塔體底部的進(jìn)水口通入塔體中，經(jīng)過沸石層后從設(shè)置在上部的排水口排除，并收集水樣進(jìn)行檢測(cè)。

電化學(xué)脫附液處理裝置是由6塊SnO2/graphite陽(yáng)極與鈦板陰極交錯(cuò)間隔構(gòu)成的長(zhǎng)方形腔體，反應(yīng)有效容積為0.5m3。陰陽(yáng)極電極的面積均為50×50cm2，極間距為24cm。

2.4 檢測(cè)方法

氨氮濃度按HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 停留時(shí)間與上升流速對(duì)吸附的影響

改性沸石吸附氨氮是一個(gè)進(jìn)行離子交換的化學(xué)吸附過程。在吸附過程中，水中的NH4+離子與沸石發(fā)生接觸碰撞，在碰撞時(shí)，固水界面有機(jī)率發(fā)生界面相互作用，由于沸石對(duì)NH4+離子的總交換容量在一般在50～220mmol/100g，高于沸石表面的Na+的交換勢(shì)[5]，NH4+會(huì)與Na+發(fā)生離子交換作用，吸附到沸石表面，由此完成氨氮從水中的脫離。所以，NH4+離子與沸石表面的有效接觸與傳質(zhì)效率就變得很重要。要得到高的氨氮吸附，就必須使兩者由足夠時(shí)間的進(jìn)行交換反應(yīng)，同時(shí)，適合的上升流速能使得廢水中NH4+與沸石發(fā)生碰撞，一定條件下形成紊流，讓進(jìn)水的實(shí)際水流路徑與流速大于表觀上升路徑與流速，有助于NH4+離子向沸石表面的傳質(zhì)。

對(duì)此，本文對(duì)河道水在吸附塔中的停留時(shí)間與上升流速對(duì)出水氨氮的影響進(jìn)行了研究。首先，在不同停留時(shí)間下，上升流速固定為6m/h，采用連續(xù)進(jìn)水處理工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，停留時(shí)間為20min、30min、40min、50min、60min對(duì)應(yīng)的處理出水氨氮濃度為1.32mg/L、0.96mg/L、0.72mg/L、0.51mg/L、0.39mg/L，隨著停留時(shí)間的增加，出水氨氮的濃度隨之減少。停留時(shí)間達(dá)到30min即可達(dá)到所需水質(zhì)要求。但由于這個(gè)停留時(shí)間下出水氨氮為0.96mg/L，盡管在目前河道進(jìn)水水質(zhì)下（≤16.3mg/L），但若發(fā)生較明顯的負(fù)荷沖擊，極易排放超標(biāo)。為了使出水氨氮穩(wěn)定<1mg/L，將停留時(shí)間選擇為40min。

接著，在固定40min的停留時(shí)間下，進(jìn)行了不同上升流速下的連續(xù)進(jìn)水處理實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明在2m/h、4m/h、6m/h、8m/h、10m/h的上升流速下，出水氨氮濃度為1.03mg/L、0.81mg/L、0.72mg/L、0.46mg/L、0.21mg/L。與停留時(shí)間一樣，在一定范圍內(nèi)，上升流速越大，處理效率越好，但考慮到若這兩者都選擇較大的值，則整個(gè)塔的尺寸與串聯(lián)塔的個(gè)數(shù)都會(huì)過大，所以，選擇4m/h上升流速與40min分鐘停留時(shí)間為優(yōu)化操作參數(shù)。

3.2 氨氮的脫附與脫附液的再生

利用改性沸石吸附的氨氮并沒有從本質(zhì)上被分解，NH4+在沸石表面不斷占據(jù)吸附活性位點(diǎn)，當(dāng)這些位點(diǎn)，特別是活性高的位點(diǎn)被占據(jù)后，沸石剩余的吸附能力將不能滿足達(dá)標(biāo)的要求。此時(shí)，就需要進(jìn)行脫附以及對(duì)脫附液的再生處理，從根本上分解氨氮。在氨氮的脫附工藝中，采用一定濃度的NaCl溶液浸泡法，利用高倍數(shù)的Na+的離子交換勢(shì)將吸附在沸石表面的NH4+置換下來。在沸石吸附能力不達(dá)標(biāo)，即出水氨氮值接近1.0mg/L（>0.95mg/L）時(shí)，對(duì)沸石進(jìn)行脫附。經(jīng)過濃度分別為10%、12.5%、15%的NaCl溶液，沸石吸附容量的回復(fù)值分別為74.2%、80.8%、89.4%，并且在其后的10個(gè)周期的吸附容量不發(fā)生明顯下降，與第一次脫附后相比，下降比例不超過3%。

而對(duì)于脫附液的再生，研究對(duì)比了NaClO氧化法與電化學(xué)法兩個(gè)方法。NaClO氧化法采用NaClO與氨氮摩爾比為1.8～2：1的投加比例，攪拌反應(yīng)12h，通過這個(gè)方法可將NaCl溶液中的氨氮降低至0.6mg/L以下，并且余氯不超過0.1mg/L。電化學(xué)氧化法為連續(xù)進(jìn)水處理方式，在本研究中采用的槽壓為6～8V，100～120A/m2的電流密度，裝置中的溶液流速為0.2～0.4m/s，電化學(xué)法利用陽(yáng)極反應(yīng)將水中的Cl-催化氧化為ClO·-，通過自由基將氨氮氧化為N2與H2O，除氨效率也達(dá)99.5%以上，氨氮余量?jī)H為0.1mg/L左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究驗(yàn)證了改姓沸石吸附后對(duì)河道水體的治理，在優(yōu)化的操作條件下，出水氨氮可穩(wěn)定保持GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類水標(biāo)準(zhǔn)，且有操作難度較低的脫附與脫附再生的過程可供選擇。

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