天然沸石去除废水中氨氮的研究

方佳丽+李荣寨

摘 要：随着社会经济的迅速发展，大量含氨氮的生活和工业废水排入天然水体，造成环境污染日益严重。天然沸石由于具有较好的吸附和离子交换性能，被应用于废水中氨氮的去除。本文通过单因素实验法，研究分析了沸石粒径、投加量、振荡时间、PH值、再生等因素对氨氮去除率的影响。研究结果表明，天然沸石在处理模拟低浓度氨氮废水时，废水氨氮浓度≤100mg/L，沸石粒径>60目，投加量为50g/L，振荡时间为1h，PH值为4-8时效果最佳；实验还发现，在处理实际生活和工业的氨氮尾水时同样具备较好的去除效果，且循环3次再生使用后天然沸石仍具有一定的氨氮去除能力。

关键词：天然沸石；生活废水；工业废水；氨氮废水

Abstract： With the rapid development of social economy， a large number of industrial and domestic wastewater containing ammonia nitrogen discharged into natural water， Environmental pollution is becoming increasingly serious. The natural zeolite has good adsorption and ion exchange properties， study on the application of nature zeolite in treatment of ammonia nitrogen wastewater has been carried out. Through single factor experiment method， research and analysis of the particle size of zeolite， dosage，oscillation time， pH value， zeolite recycling study on ammonia removal. The results show that nature zeolite removal ammonia nitrogen from simulation wastewater， the condition of ammonia nitrogen concentration is less than 100mg/L， the particle size of zeolite is more than 60 mesh， dosage is 50g/L， oscillation time is 1 hour， pH value is 4-8 has the best effect； The experimental results also show that the treatment process has a better effect in the treatment of the actual life and industrial ammonia nitrogen tail water. And the natural zeolite still has a certain removal capacity after 3 cycles.

Key words： nature zeolite； domestic wastewater； industrial wastewater； ammonia nitrogen wastewater.

前言

水环境中的氨氮是指以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。在我们日常生活和生产中，产生大量的含氮的生活生产废水，会引起水体富营养化、降低饮用水质量、影响污水回用系统的正常运行、危害人体健康等[1]。

目前，国内外氨氮废水的处理方法大致可分为两类：物化法和生物法[2]。物化法主要有吸附、离子交换、吹脱、折点加氯、化学沉淀等；生物法主要有硝化、反硝化和藻类养殖等。

其中吸附、离子交换法具有占地面积小、工艺简单、处理成本低、高效快速和可再生等优点，是一种经济、高效、安全的除氨氮方法。

我国是一个沸石资源相当丰富的国家，沸石总储量约40亿吨，其中东部地区是我国沸石的主要产地，比较著名的有浙江省缙云县沸石矿区、山东省莱阳县丝光和斜发沸石矿区等[3]。

天然沸石是含水多孔铝酸盐的总称，具有吸附、离子交换等性能，且价格低廉、来源广泛，因此被作为吸附剂、离子交换剂用于废水中氨氮的去除[4]。

由于考虑到天然沸石容易吸附饱和，同时再生实验又存在着一定的复杂性、困难性，所以本课题主要研究了天然沸石去除模拟低浓度氨氮废水中氨氮的性能，即通过静态实验法，分析沸石粒径、投加量、振荡时间、PH值、再生次数等因素对沸石性能的影响，从而筛选出最优组合条件，最终在实际的生活尾水和工业尾水中验证在此最优组合条件下天然沸石对氨氮的去除性能，为进一步对天然沸石进行改性，提升其吸附去除能力提供参考背景值。

1 实验部分

1.1 实验材料

天然沸石：取自浙江缙云的天然斜发沸石（典型晶胞组成为：Na6[（AlO2）6（SiO2）30] ·24H2O），其主要物理特性为：Si/Al为4.2-5.3，粒徑为2-3cm，孔隙率为30-40%，动力学直径为3.9。

实验所用化学试剂碘化钾、氢氧化钾、二氯化汞、酒石酸钾钠等均为分析纯，氨氮标准液用无氨水配置。

1.2 实验仪器

752N紫外可见分光光度计、722N可见光光度计、恒温振荡器、PH计、电子分析天平。

1.3 实验方法

通过单因素实验法，研究分析沸石粒径、投加量、振荡时间、PH值等因素对氨氮去除率的影响，即在改变一个单因素的条件下，控制其他因素条件不变的情况下，筛选出最优组合条件，同时用最优组合条件对实际的生活尾水和工业尾水进行氨氮去除率的测试以及沸石再生循环利用去除氨氮效果的研究。

1.4 实验检测方法：HJ5352009水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 天然沸石粒径的影响

分别取20-40目，40-60目，60-80目，80-150目，>150目天然沸石3g，放入锥形瓶中，再将配置好的浓度为100mg/L的氨氮模拟液（PH=6.38）100mL倒入锥形瓶中，将其混匀，在常温下振荡2h后，过滤取上清液，测定模拟液中剩余氨氮的浓度，实验结果如图1所示。

由上图可知，天然沸石目数越大（粒径越小），沸石对氨氮去除效率越好，>150目粒径的沸石去除率可达87.08%，但为了更好的模拟实际工程中废水的处理，本实验选用>60目粒径的沸石作为最佳沸石粒径。

2.2 天然沸石投加量的影响

分别称取粒径>60目的天然沸石1g，3g，5g，7g于锥形瓶中，各加入100mL浓度为50mg/L的氨氮模拟水样（PH=6.89），在常温下振荡2h后，过滤取上清液测其剩余氨氮浓度，结果如图2所示。

由上图可知，对于低浓度废水，当投加量为50g/L时，去除氨氮的效率达到最佳，而后随着投加量的增加，去除率逐渐下降。

2.3 振荡时间的影响

将四份粒径>60目的天然沸石5g和浓度为50mg/L的氨氮模拟液（PH=6.52）100mL置于锥形瓶中，在常温下分别振荡1h，4h，6h，8h，过滤取上清液，测定上清液剩余氨氮的含量，结果如图3所示。

由上图可知，振荡时间越少，天然沸石对低浓度氨氮的吸附能力越好，随着振荡时间延长，沸石对氨氮去除率逐渐下降，当振荡时间为1h时，去除率可达95.95%.所以对于实际低浓度废水选择振荡时间1h最佳。

2.4 废水PH值的影响

取100ml浓度为50mg/L的氨氮模拟液四份，用1mol/L稀HCl和NaOH溶液调节其PH，使PH分别为1.85，3.44，5.85，7.49，然后分别投加5g沸石，在常温下振荡2h后过滤，取上清液测剩余氨氮浓度，结果如图4所示。

由上图可知，对于低浓度氨氮废水，沸石对其去除率受PH的影响，随着PH的增加，溶液中剩余氨氮浓度减少，去除率升高。

2.5 去除实际废水中氨氮的研究

由于某城镇污水处理厂和某工业污水处理厂的氨氮尾水未达标排放，所以便取来部分氨氮尾水，对其进行进一步的处理。测得生活污水中尾水和工业废水中尾水其氨氮浓度分别为11.83mg/L和26.76mg/L，在此条件下，改变投加量，从而测得不同投加量下天然沸石去除尾水中氨氮的效果。如下表1、表2、表3所示：

由表1实验结果分析可得，在生活尾水中，天然沸石投加量为70g/L时，氨氮去除率为93.40%，已达到很好的效果，所以对于生活尾水不再进行继续增加投加量的实验。

由表2实验结果分析可得，随着天然沸石投加量的不断增加，氨氮去除率也在不断提高，直到投加量为300g/L时，氨氮去除率才趋于稳定，所以选择投加量为300g/L作为最佳去除工业尾水中氨氮的效果。

由表3实验结果可得，随着循环次数的增加，沸石去除氨氮的效果越来越差，从刚开始去除率87.20%到循环3次后去除率65.52%。虽然去除能力呈下降趋势，但还是具有一定的氨氮去除能力。

3 结论与展望

3.1 结论

3.1.1 粒径小的天然沸石去除氨氮效果明显好于粒径大者，考虑到实际工程及各因素的影响，最终选用>60目的沸石粒径。

3.1.2 在一定范围内，随着天然沸石投加量增加，氨氮去除率越高，但随着天然沸石用量再增加，去除效果又逐渐趋于平缓。

3.1.3 通过振荡时间实验结果可知，天然沸石具有能在短时间内达到吸附饱和的特性，持续振荡，会使氨氮去除率反而下降。

3.1.4 对于氨氮废水，天然沸石对其去除率随溶液的PH值的增加而升高。

3.1.5 使用细颗粒天然沸石去除实际生活尾水和工业尾水中的氨氮具有较好的效果，其中生活尾水投加天然沸石量为70g/L时，达到最佳氨氮去除率为93.4%，工业尾水投加天然沸石量为300g/L时，达到最佳氨氮去除率为91.13%。

3.1.6 从细颗粒天然沸石再生循环利用实验研究中可以看出，虽然天然沸石去除率随循环次数增加而下降，但仍具有一定的去除效果，可见天然沸石具有一定的循环利用的优点。

3.2 展望

3.2.1 由于时间所限，本课题在低浓度氨氮模拟废水中进行粒径、振荡时间、PH值、投加量、再生次数等因素进行实验研究，其实还可以进一步进行正交优化实验，在多因素相互影响的条件下，最终筛选出最优条件组合，确定各因素对氨氮去除率的影响。

3.2.2 本实验只研究了单一的天然沸石对氨氮的去除效果，若入选多种类型沸石进行废水中氨氮的去除实验，便可筛选出最佳的沸石类型，进一步提高实验效果。

3.2.3 本研究由于实验条件所限，只进行了简单振荡实验，所得出的实验结果可能与工程的实际应用存在一定偏差，还可以进一步进行流动模拟动态实验，完善实验数据，使之与生产实际更贴近。

3.2.4 由于天然沸石吸附一定量的氨氮后達到饱和，影响天然沸石的污水处理能力及重复利用能力，建议加深对天然沸石再生利用的研究，分析其经济效益及可行性，实现资源的循环有效利用。

参考文献

[1]朱志.高浓度氨氮废水处理技术及发展[J].环境科学导刊，2008，27（1）：60-61.

[2]季金云.斜发沸石处理低浓度氨氮废水的吸附性能及再生实验研究[D].山东大学，2014.

[3]李建霜.沸石对生活污水氨氮处理的研究[D].重庆交通大学，2014.

[4]徐新华.天然沸石在水处理中的应用[J].广州化工，2006，34（5）：66-68.