粉煤灰成型及其处理氨氮废水的实验研究

2012-10-29宋慧平刘育军程芳琴

山西水利科技 2012年1期

李霞宋慧平刘育军程芳琴

（山西大学资源与环境工程研究所山西太原 030006)

0 引言

粉煤灰是火力发电厂排放出的一种具有火山灰活性的细微粉末，颜色一般为银灰色或灰色。近年来，随着燃煤机组的不断增加，电力规模的不断扩大，粉煤灰的排放量也随之急剧增加。2006年时，粉煤灰排放量已经超过2亿t，是目前国内最大宗固体废弃物之一[1]，以全国平均计，每增加10MW装机容量每年约增加近万吨粉煤灰的排放量[2]。粉煤灰中含有较多的活性氧化铝和氧化硅等，其孔隙率一般为60%～75%，比表面积一般在2500～5000cm2·g-1，具有多孔结构[3]，具有一定的吸附能力，而有关理化研究指出，粉煤灰可以应用于吸附一些重金属离子和阴离子[4]，因此，是一种可利用的资源。

氨氮是水体中氮的主要形态之一，其污染来源多且排放量大，广泛存在于工业制造业、农业化肥作业、养殖场中动物排泄物和垃圾渗滤液中，且一般浓度都很高[5]。直接排放入水体后，容易引起水体富营养化，导致水体中缺氧，滋生有害水生物，导致鱼类中毒，也可诱发癌变[6]。目前，处理高浓度氨氮废水的方法为物化法、化学法和生物法，该三种方法去除高浓度氨氮废水的效率比较高，但是出水氨氮浓度仍不能达到地面水排放标准[7]。所以低浓度氨氮废水的治理技术成为氨氮废水处理的关键。

粉煤灰作为一种可利用资源，我国目前粉煤灰的利用率还不到30%，且多数用于筑路和建筑等。因此，合理利用粉煤灰，并将其资源化具有重大意义[8]。由于粉煤灰具有多孔结构，比表面积很大，其广泛的应用于废水与废气的处理中。阎存仙等[9]研究了粉煤灰对活性染料活性艳兰X—RB的吸附，其去除率可以达到95%以上；郝志涛[10]研究了粉煤灰对采油废水中石油类和COD的吸附，其去除率可以分别达到70%～80%和20%左右；彭荣华等[11]通过对粉煤灰改性，研究了改性粉煤灰对电镀废水中重金属离子 Cr2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+的吸附，其去除率可以达到97.5%以上。由于粉煤灰是粉末状物质，在处理各种废水中容易出现堵塞、浑浊等问题；对粉煤灰改性的过程中，其制备工艺复杂，成本较高。因此，本研究通过设计正交实验制备成型粉煤灰，并且研究了影响其处理低浓度氨氮废水的因素，为实现粉煤灰的资源化利用奠定了一定的理论基础。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

实验原料：粉煤灰（取自太原一电厂，其组成如表1所示）、煤粉（榆次无烟煤）、膨润土（洛阳天冠膨润土有限公司）

实验试剂：氯化铵（优级纯）、NaOH（分析纯）、盐酸（分析纯）、N3试剂、N2试剂。

表1 粉煤灰的主要成分

1.2 成型粉煤灰的制备

将粉煤灰加入适量的粘结剂（膨润土）和造孔剂（煤粉），经过型煤压力检测器（压力为1MPa）成型、先在烘箱（100℃左右）中烘3h，然后在600℃～800℃高温下烧制而将粉煤灰成型。设计四因素三水平正交实验，其因素水平表见表2。

表2 粉煤灰成型正交实验因素-水平表

1.3 成型粉煤灰的筛选

取上述成型粉煤灰5g左右置于锥形瓶中，加入浓度约30mg·L-1的氨氮废水100mL，室温下振荡90min，静置，测定其氨氮浓度并进行优选。并同时做空白实验与验证实验。

1.4 成型粉煤灰处理氨氮废水的实验

在锥形瓶中加入一定量的成型粉煤灰和100mL浓度约30mg·L-1的模拟氨氮废水溶液，室温下振荡。研究不同吸附时间（10min、30min、60min、90min、120min、180min），不同 pH（2、4、6、8、10）及不同投加量（2g、5g、7g、10g、15g）对于氨氮去除效率的影响，同时做空白实验。

2 实验结果与讨论

2.1 粉煤灰成型的正交实验结果及筛选实验结果

实验中，以氨氮去除率作为实验指标，比例、烧结温度、保温时间和成型质量为四个因素，进行4因素3水平正交实验，正交实验结果如表3所示。

表3 粉煤灰成型正交试验表（L9（43））

由表3可知，极差 RB＞RD＞RC＞RA，影响成型粉煤灰吸附效率大小的因素依次为：烧结温度＞成型质量＞保温时间＞比例；同时由各个因素的I1、I2、I3筛选出吸附效果较佳的制备方案为A3B1C3D1，即比例为80:10:10，烧结温度为600℃，保温时间为90min，成型质量为1g。为了验证实验结果，按照该最佳条件组合制得成型粉煤灰，并将其用于氨氮废水吸附实验，实验结果表明氨氮去除率可达25%，与正交试验得出的结论相吻合，因此将此条件下制得的成型粉煤灰作为后续处理氨氮废水中的吸附剂。

2.2 不同条件对于去除效率的影响

2.2.1 吸附时间对去除效率的影响

称取约5g成型粉煤灰，置于锥形瓶，然后加入100mL模拟氨氮废水溶液，室温下振荡不同时间（10min、30min、60min、90min、120min、180min），静置，取上清液进行测定。根据测定结果绘制吸附时间与吸附效率曲线图，确定最佳吸附时间。

由图1可以看出，吸附时间在约90min后基本达到平衡，尽管120min、180min的去除效率相对90min时较高，但是没有显著的增加，从降低能耗的角度考虑，在本实验研究中，选取吸附时间为90min为最佳吸附时间。

图1 吸附时间与氨氮去除效率的关系

2.2.2 pH对去除效率的影响

在境外流通的中国古代货币不止一种，每一种都带有鲜明的时代特色，通常都是那个朝代最出色的货币。比如汉“五铢”钱，钱文为“五铢”，篆书横读，光背，直径26毫米左右，穿径约10毫米，重如其文，重量以3～4克者居多，少数的超过 4克，大小轻重适中，形制美观，合乎当时社会经济发展状况与价格水平对货币单位的要求，便于携带，特别是外郭的采用可以保护钱文，不容易磨损，因而在汉武帝以后的西汉、东汉、蜀、魏、晋、南齐、梁、陈、北魏、隋等朝代均有铸造，使用时间长达739年。“五铢”钱成为我国历史上铸行数量最多、铸造流通使用时间最长、最为成功的长寿货币。

称取约5g成型粉煤灰，置于锥形瓶，然后加入100mL模拟氨氮废水溶液，用HCl溶液和NaOH溶液将其pH调节为2、4、6、8、10，室温下振荡 90min，静置，取上清液进行测定。根据测定结果绘制pH与吸附效率曲线图，确定最佳pH。

图2 pH与氨氮去除效率的关系

由图2可以看出，在研究条件下，随着pH值的增大，成型粉煤灰对氨氮的去除效率也随之增大，说明在酸性条件下，成型粉煤灰的吸附效果较差，这是因为在酸性条件下，水样中的H+较多，而溶液中又存在大量的，两种阳离子都有被吸附的趋势，但是H+半径要比小，H+比更容易被吸附；当溶液pH在中性时，H+浓度降低，与竞争作用减弱，此时，NH4+容易被吸附；当溶液的pH值继续增大至碱性时，溶液中的NH4+与水中的反应生成NH3挥发掉，同时成型粉煤灰也会吸附一部分，从而使得水中的氨氮浓度大大降低。但是也不是pH值越高越好，也有不利的一面，这样会造成成本增加，对工业生产不利。而工业上的废水排放标准pH值在6～9[12]，所以将pH值选择为9。

2.2.3 投加量对去除效率的影响

称取约2g、5g、7g、10g、15g 成型粉煤灰置于锥形瓶，然后加入100mL模拟氨氮废水溶液，将其pH调节为9，室温下振荡90min，静置，取上清液进行测定。根据测定结果绘制投加量与吸附效率曲线图，确定最佳投加量。

图3 投加量与氨氮去除效率的关系

由图3所示可知，随着成型粉煤灰投加量的增大，氨氮的去除率也逐渐增大，投加量在10g左右时，去除率可达到约37%，投加量在15g左右时，去除率可达到约40%，但是投加量为15g左右时溶液的浑浊度较10g时大，所需静置时间较长，因此，处理100mL浓度为30mg/L的氨氮废水时，选择成型粉煤灰的投加量为10g。