低浓度氨氮废水处理实验研究

鲁璐 祁贵生 王 焕

（中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051）

低浓度氨氮废水处理实验研究

鲁璐 祁贵生 王 焕

（中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051）

采用化学沉淀法和折点氯化法对低浓度氨氮废水进行处理，分别考察了两种方法中不同pH、反应时间、氨氮初始浓度以及反应物投加量对氨氮去除率的影响。结果表明，化学沉淀法的最佳操作条件为pH=10.5，反应时间在30min左右，n(NH4+):n(Mg2+):n(PO43-) =1:1.2:1.2；折点氯化法的最佳操作条件为pH=7，反应时间以10～15min为宜，m(Cl-):m(NH4+)在6～7之间均可；在处理低浓度氨氮废水方面两种方法去除率均可达到80%以上，但化学沉淀法对中高浓度氨氮废水的处理更具优势，折点氯化法则只适用于处理低浓度氨氮废水。

氨氮废水 化学沉淀 折点氯化

氨氮废水是引起水体富营养化的主要因素之一，不仅导致藻类及其他水生生物大量繁殖，致使水体严重缺氧，而且可滋生有害生物使鱼类中毒，间接危害人类生命健康[1]。目前，处理氨氮废水的方法主要有生物硝化反硝化法、反渗透法、氨吹脱法、化学沉淀法、择性离子交换法、电化学氧化法以及折点氯化法等[2,3,4]。国内外学者对此做了大量工作，如徐志高[5]、罗领先[6]、崔树军[7]、Uludag S[8]等。本文利用化学沉淀法和折点氯化法对低浓度氨氮废水的去除进行了实验研究。

1 实验部分

1.1 实验原理

化学沉淀法：利用某些复合铵盐难溶于水的特性，可将废水中的NH4+转为沉淀去除[9]。在氨氮废水中投加一定比例的磷盐和镁盐，在25℃时，若[Mg2+][NH4+][PO43–]>2.5×10–13则可生成Mg(NH4)PO4沉淀。其反应方程式如下：

折点氯化法：折点氯化法是投加过量的氯或次氯酸钠，使废水中氨完全氧化为N2的方法[10,11]。其反应可表示为：

1.2 实验仪器及试剂

实验仪器：pHS-3C型pH计（上海日岛仪器有限公司）；JJ-1型电动搅拌器（城东宏业实验仪器厂）；721W分光光度计（上海精密仪器仪器有限公司）。

实验试剂：实验室自制模拟氨氮废水；其他试剂均为分析纯。

1.3 实验方法

化学沉淀法：称取一定量的模拟废水，调节pH至预定值，Mg2+:NH4+:PO43-按一定的摩尔比加入Na2HPO4·12H2O和MgCl2·6H2O，打开搅拌器进行反应。搅拌一定时间后，停止搅拌，静置15min，然后取上层清液至比色管，稀释后加入纳氏试剂和酒石酸钾钠溶液，静置10min后在分光光度计下测量，计算氨氮浓度及去除率。

折点氯化法：称取一定量的模拟废水，调节pH至预定值，Cl-:NH4+按一定的质量比加入次氯酸钠，反应一定时间后，静置，然后取上层清液至比色管，稀释后加入纳氏试剂和酒石酸钾钠溶液，静置10min后在分光光度计下测量，计算氨氮浓度及去除率。

1.4 分析方法

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实验采用纳氏试剂分光光度法进行氨氮浓度的检测。以游离态的氨或铵离子等形式存在的氨氮与纳氏试剂反应生成淡红棕色的络合物，该络合物的吸光度与氨氮含量成正比，在分光光度计下于波长420nm处测定吸光度，将所得吸光度与标准曲线进行对照，即可知道待测溶液中的氨氮浓度。

2 结果与讨论

2.1 pH值对氨氮去除率的影响

化学沉淀法：图1为考察的不同pH对氨氮去除率的影响结果。由图1可知，氨氮去除效率随pH变化极为明显，当pH增加到10.5时，氨氮去除率最高达到84.38%。

在非碱性条件下，反应产物主要为可溶性的Mg(H2PO4)2；在碱性较弱条件下，反应可生成大量的Mg(NH4)PO4沉淀；在碱性较强的条件下会发生副反应，生成Mg(OH)2或Mg3(PO4)2沉淀，并随着pH的进一步增加，大部分会转化为NH3逸出。所以氨氮去除率随pH的增加先升高后降低。

折点氯化法：图2为考察的不同pH对氨氮去除率的影响结果。由图2可知，随着pH值的增加，氨氮去除率现增加，当pH为7时，氨氮去除率达到最大。

当pH较低时，不仅会发生产生N2的反应，而且会生成NCl3，导致消耗的氯量较大。当pH较高时，反应会生成NHCl2，进一步反应会生成NHO3-，所以氨氮去除率较低。

2.2 反应时间对氨氮去除率的影响

化学沉淀法：图3为考察的不同反应时间对氨氮去除率的影响结果。由图3可知，在前30min，氨氮去除率随反应时间的增加而增加。且增加极为明显。 30min后，氨氮去除率依然增加，但增加幅度极小。

反应初期，氨氮浓度较高，所以反应速度很快。随着反应的进行，氨氮浓度越来越低，导致反应速率也越来越慢，反应时间超过30min后，氨氮去除率差异不大。

折点氯化法：图4为考察的不同反应时间对氨氮去除率的影响结果。由图4可知，反应5min后，氨氮去除率已至80%以上，至反应进行15min时氨氮去除率达到最大值81.38%，15min后，氨氮去除率基本上不再有大的变化。

此反应较为迅速，基本在5min内完全反应，但气体逸出需一定时间，所以可取反应时间为10～15min。

2.3 初始浓度对氨氮去除率的影响

化学沉淀法：图5为考察的不同模拟氨氮废水初始浓度对氨氮去除率的影响结果。由图5可知，随着反应物浓度增加，氨氮去除效率也有缓慢的增加，在初始浓度为500mg/L时，氨氮去除率达到84.75%。

虽然化学沉淀法适用于各种浓度氨氮废水的处理，但其还是处理中高浓度氨氮废水效率更高，因此在处理中高浓度废水化学沉淀法适用较广是有依据的。

折点氯化法：图6为考察的不同模拟氨氮废水初始浓度对氨氮去除率的影响结果。由图6可知，与化学沉淀法相反，折点氯化法是在低浓度时反应效率高，反应物初始浓度为100 mg/L时，氨氮去除率达81.88%，当浓度逐渐增加时，氨氮去除率也降低。

氨氮去除率随氨氮初始浓度的增加而降低，可能是由于初始浓度增加使得反应物投料增加，与此伴随余氯增加，这对氧化反应有一定影响。

2.4 反应物投加量对氨氮去除率的影响

化学沉淀法：图7为考察的不同Mg2+:NH4+:PO43-的摩尔比对氨氮去除率的影响结果。由图7可知，一定范围内，随着反应物增加，氨氮去除率增加，但随着镁盐和磷酸盐用量的进一步增加，氨氮去除率逐渐降低。

在一定温度下KC为一常数，也就是说，当Mg2+及HPO42-浓度不断上升时，反应向生成MgNH4PO4的方向进行，因而，氨氮去除率有上升趋势。除此之外，还可用影响生成沉淀因素中的同离子效应和溶度积规则来解释此问题，当反应达到平衡后，加入Mg2+及HPO42-离子导致离子积大于MgNH4PO4的KSP，因而反应会朝着生成沉淀的方向进行，氨氮得到去除。随着镁盐和磷酸盐用量的进一步增加，由于盐效应影响，残留氨氮浓度又逐渐升高，原因在于Mg2+和HPO42-均为强电解质，用量过多时易产生盐效应而减少了溶液中离子相互碰撞的机会，使得MAP的溶解度随着镁盐和磷酸盐用量的增大而增大，不利于氨氮的脱除。

折点氯化法：图8为考察的不同Cl-:NH4+的质量比对氨氮去除率的影响结果。由图8可知，Cl-:NH4+比在5:1到6:1范围内时，氨氮去除率随着当投加量的增大而增大，质量比为7:1时，氨氮去除率最高，达到81.44%。投加量超过7:1时，氨氮去除率逐渐随之降低。

在一定范围内，增加次氯酸钠的投加量，氨氮去除效率增加，而当次氯酸钠投加量过大时，溶液中NO3-和NCl3增加，使得溶液中余氯量增加，余氯增加使得氨氮去除率降低。

3 技术经济分析

对比两种方法，若仅从主要使用的药品上来说，化学沉淀法更为便宜，但考虑到化学沉淀法在反应中调节pH还需加入碱，碱的费用也是一笔开支，而折点氯化法则可以用通入氯气的方法来替代次氯酸钠以降低成本，所以，实际两种方法的成本差距并没有那么大，而在消耗时间上，折点氯化法远快于化学沉淀法。综上，折点氯化法和化学沉淀法在处理低浓度氨氮废水上各有优缺点，实际生产中可根据具体情况加以选择。表1为两种处理方法优缺点对比。

4 结论

本实验采用化学沉淀法和折点氯化法处理模拟氨氮废水，以废水中氨氮去除效率为表征，考察了pH值、反应时间、氨氮初始浓度、反应物投加量对氨氮去除效果的影响，实验结果表明，上述两种方法对低浓度氨氮废水处理均有不错的效果。得到的主要结论如下：

a）在适宜的工艺条件下，化学沉淀法和折点氯化法对氨氮去除效率均达到80%以上。用这两种方法来处理低浓度氨氮废水技术上是可行的。

b）化学沉淀法的最佳反应pH值为10.5，最佳反应物投加量为n(NH4+):n(Mg2+):n(PO43-) =1:1.2:1.2，反应时间在30min左右最佳，且化学沉淀法的氨氮去除效率随着溶液初始浓度的增加而增加。故该种方法在处理中高浓度废水时更有优势。

c）折点氯化法的最佳反应pH值为7，最佳反应物投加量m(Cl-):m(NH4+)在6～7之间均可，反应时间以10～15min为宜，氨氮去除率随着溶液初始浓度的增加而降低。故该种方法更适宜处理中低浓度氨氮废水。

d）经济分析结果表明，化学沉淀法成本较低，在工业生产应用中更有优势。

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[2]钟理，谭春伟，胡孙林，等. 氨氮废水降解技术进展[J]. 华工科技，2002，10(2)：59-62.

[3]王莉萍，曹国平，周小虹. 氨氮废水处理技术研究进展[J]. 化学推进剂与高分子材料，2009，7(3)：26-32.

[4]任义，王磊，狄雅茹. 氨氮废水处理技术进展综述[J]. 西安文理学院学报(自然科学版)，2008，11(3)：90-93.

[5]徐志高，黄倩，张建东，等. 化学沉淀法处理高浓度氨氮废水的工艺研究[J]. 工业水处理，2010，30(6)：31-34.

[6]罗领先，崔喜军. 化学沉淀法处理高浓度氨氮废水的动力学研究[J]. 广东农业科学，2010，6：203-204.

[7]崔树军，谷立坤，张建云，等. 高氨氮废水的处理技术及研究应用现状[J]. 中国给水排水，2010，26(14)：26-29.

[8]Uludag S, Demirer G N. Ammonia removal from anaerobically digested dairymanure by struvite precipitation[J]. Process Biochemistry, 2005, 40:3667-3674.

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Experimental Study on Treatment of Low Concentrated Ammonia-nitrogen Wastewater

Lu Lu, Qi Guisheng, Wang Huan
(College of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Low concentrated ammonia-nitrogen was treated by chemical precipitation process and add chlorine at turning point process. Effect on removal rate of ammonia-nitrogen by different operation conditions such as pH, reaction time, initial ammonia-nitrogen concentration, reactants amount was studied. The results indicated that the best operation conditions is at pH=10.5, reaction time lasting 30 min, n(NH4+):n(Mg2+):n(PO43-) =1:1.2:1.2 for chemical precipitation process and at pH=7, reaction time lasting 10～15 min, m(Cl-):m(NH4+)= 6 to 7 for add chlorine at turning point process. Removal rates of ammonia-nitrogen can reach to 80% by both processes. However chemical precipitation process has more advantages to treat medium-high concentration ammonia-nitrogen wastewater and add chlorine at turning point process is only applied to low concentration ammonia-nitrogen wastewater.

ammonia-nitrogen wastewater; chemical precipitation; add chlorine at turning point

X703.1

A

T1672-8114(2013)01-042-05

鲁璐（1971—），女，工程硕士