氨氮吸附劑的研究與應(yīng)用

氨氮吸附劑的研究與應(yīng)用

近年來(lái)，水環(huán)境中氨氮污染日益嚴(yán)重。過(guò)量的氨氮不僅容易導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化污染，而且當(dāng)廢水重排放時(shí)，再生水中的氨氮促進(jìn)了污水和水裝置中微生物的大規(guī)模繁殖，形成生物污漬，堵塞了管道和供水裝置，影響了交換效率，并給生活和工業(yè)水的預(yù)處理帶來(lái)了困難。因而,在水資源短缺且水污染日益嚴(yán)重的今天,氨氮的去除顯得尤為重要。目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道除氨氮的方法主要有化學(xué)法、混凝沉淀法、生化法和吸附法,而吸附技術(shù)以其高效快速、操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染、吸附劑可再生利用等優(yōu)點(diǎn),受到當(dāng)今越來(lái)越多環(huán)境工作者所青睞。目前國(guó)內(nèi)外常用的氨氮吸附劑主要有:沸石、蛭石、膨潤(rùn)土、稀土、海泡石、納米硬硅鈣石、活性碳纖維、竹炭和粉煤灰等。氨氮吸附劑種類很多,如何根據(jù)吸附劑的性能特點(diǎn)、資源狀況等進(jìn)行合理選擇,很值得探討。本文對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了分析,對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。1國(guó)內(nèi)外對(duì)氨基氮吸附劑的類型和現(xiàn)狀的研究1.1礦產(chǎn)業(yè)氨基氮吸附劑1.1.1沸石的改性研究天然沸石礦主要分布在我國(guó)21個(gè)省市、自治區(qū)。沸石的基本結(jié)構(gòu)是硅氧(SiO4)四面體和鋁氧(AlO4)四面體,沸石晶體內(nèi)有大量的空穴和孔道,孔道具有色散力和靜電力,沸石對(duì)氨氮的去除主要?dú)w為沸石對(duì)氨氮的高效吸附性能和陽(yáng)離子交換性能。Ciambelli利用Phlipsite沸石能去除廢水中95%的氨氮。由于大部分天然沸石礦物純度較低,硅鋁比較高,導(dǎo)致陽(yáng)離子交換容量普遍較低,所以常對(duì)其進(jìn)行鹽改性、酸改性、堿改性和熱改性處理。周小寧通過(guò)掃描電鏡得知,鹽改性沸石表面孔穴變得較為致密,表面積增大,有利于吸附氨氮。趙雅萍等發(fā)現(xiàn)鈣型沸石對(duì)氨氮去除率為91.53%,對(duì)氨氮的吸附容量高達(dá)46.56mg/g。飽和鈣型沸石經(jīng)過(guò)2mol/L的NaCl溶液洗脫可再生10次以上,而吸附容量基本保持穩(wěn)定。利用沸石去除廢水中的氨氮,目前在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用較為廣泛。1.1.2含氟低滲透劑與離子交換系統(tǒng)蛭石礦在江蘇省和河北省較為豐富。蛭石每個(gè)結(jié)構(gòu)單元層中,上下兩基本層均為硅氧四面體,中間為硅氫氧鋁鎂層,層間具有水分子及可交換性的陽(yáng)離子。蛭石對(duì)氨氮的作用以離子交換為主,蛭石對(duì)NH4+的選擇性隨離子的水化半徑減小而增大。用酸、堿及鹽改性蛭石,發(fā)現(xiàn)鹽改性蛭石的顆粒半徑很小,堿改性蛭石的比表面積雖然比鹽改性蛭石的小,但是總孔體積卻增加了,所以對(duì)NH3-N的吸附量增加,酸改性不適宜蛭石。蛭石是可以反復(fù)再生使用的,其再生后的吸附容量比蛭石的吸附容量要大。劉勇將蛭石應(yīng)用于生活污水處理工藝中,結(jié)果表明:蛭石-SBR系統(tǒng)比SBR系統(tǒng)明顯表現(xiàn)出對(duì)氨氮的高去除率。但目前利用蛭石吸附氨氮在實(shí)際工程的應(yīng)用還較少。1.1.3化學(xué)加量機(jī)植酸鹽型膨潤(rùn)土主要集中在我國(guó)東北和東部沿海各省。膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石為主要礦物的粘土巖。其結(jié)構(gòu)由兩層硅-氧四面體中間夾一層鋁(鎂)-氧(羥基)八面體組成的2∶1型的三層粘土礦物,表面帶負(fù)電荷,此負(fù)電荷被處于層狀結(jié)構(gòu)外部的K+、Na+等陽(yáng)離子所平衡,所以有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力和吸附能力。一般通過(guò)酸、鹽和加熱等方法對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性。聶錦旭等用4%濃度的Al2(SO4)3溶液-500℃焙燒改性鈣基膨潤(rùn)土,其氨氮的去除率可達(dá)95.8%。王代之等發(fā)現(xiàn)用1%氯化鈉改性的膨潤(rùn)土對(duì)氨氮最高去除率可達(dá)到90.68%。膨潤(rùn)土是一種天然廉價(jià)的礦物,改性的膨潤(rùn)土對(duì)氨氮去除效果較好,有很好的應(yīng)用前景。1.1.4采用高效濕附劑中國(guó)的稀土資源主要分布在內(nèi)蒙、江西、兩廣、四川、山東等地。通常把鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪稱為輕稀土;把釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔稱為重稀土。Hungchangmao等用活性Cu-LaCe混合催化劑的濕式氧化法對(duì)氨氮的去除率約為95%。劉偉文等用浸漬焙燒法制備稀土吸附劑,發(fā)現(xiàn)氧化鈰改性的稀土吸附劑對(duì)模擬廢水氨氮濃度吸附率達(dá)到80.23%。改性稀土吸附劑對(duì)氨氮有較好的去除效果,但是稀土及氧化鈰價(jià)格較貴,限制了其在廢水深度脫氮處理方面的應(yīng)用。1.2纖維氨基氮吸附劑1.2.1海泡石的改性我國(guó)粘土型海泡石礦床主要分布在湖南、江西、河北地區(qū);熱液型纖維狀海泡石主要分布在河南、河北、安徽、湖北、貴州等地。海泡石是一種纖維狀的含水硅酸鎂,海泡石的化學(xué)式為Mg8(H2O)4[Si6O16]2·(OH)4·8H2O。常對(duì)海泡石進(jìn)行熱改姓、酸改性、鹽改性和堿改性。張林棟等研究了純化后的海泡石經(jīng)水熱活化、酸活化和鈉離子交換改性后,其對(duì)氨氮的最大吸附量可達(dá)28mg/g海泡石,在600℃以下使用,不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。海泡石在脫色和廢水廢氣吸附方面具有較好的吸附性能,對(duì)氨氮的吸附容量較高,又由于其具有較好的流變性和催化性,具有較好的工業(yè)實(shí)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。1.2.2硬硅鈣石特性硬硅鈣石的分子式為Ca6[Si6O17](OH)2。納米硬硅鈣石呈纖維狀、多孔且具有極大的比表面積,同時(shí)硬硅鈣石含有氧化硅、氧化鈣,能提供大量Si、Ca等活性點(diǎn),這些特性使得硬硅鈣石具有良好的膨脹性、離子交換性和吸附性。胡彩霞利用納米硬硅鈣石材料處理焦化廢水,氨氮的去除率可達(dá)80.22%。納米硬硅鈣石集合了納米材料和硬硅鈣石的雙重優(yōu)點(diǎn),這使其廣泛應(yīng)用成為可能。1.3碳氨氮吸附劑1.3.1氨氮吸附特性竹炭具有很大的比表面積,吸附能力強(qiáng)。將竹炭應(yīng)用于吸附水溶液中氨氮的研究有所起步,如王祝來(lái)等研究的竹炭對(duì)水溶液中的氨氮的吸附特性,研究結(jié)果表明:pH值為7時(shí)吸附效果最佳,竹炭吸附量隨著氨氮初始濃度增大而急劇增加,吸附6h達(dá)到吸附平衡,竹炭飽和吸附量最高達(dá)到0.21mg/g。周珊等用硝酸對(duì)竹炭進(jìn)行改性,對(duì)氨氮的去除率可達(dá)82.20%。硝酸改性竹炭,對(duì)氨氮有較好的去除效果,又因竹炭分布范圍廣,價(jià)格便宜,有著廣泛的使用價(jià)值。1.3.2污染物質(zhì)測(cè)定粉煤灰是火電廠的廢棄物,它的化學(xué)成分主要是SiO2及Al2O3,具有多孔性及很大的比表面積,通過(guò)吸附、離子交換、絮凝沉淀和過(guò)濾作用去除污水中的污染物質(zhì)。對(duì)粉煤灰改性通常采用酸溶或堿溶來(lái)提高活性成分。楊麗芳等通過(guò)應(yīng)用粉煤灰處理含氨氮廢水,氨氮的去除效率在50%以上。肖震利用NaOH改性的灼燒好的F類粉煤灰,對(duì)氨氮的去除率可達(dá)到92.36%,對(duì)氨氮的吸附量為3.48mg/g。改性粉煤灰對(duì)氨氮的去除效果比較好,將粉煤灰綜合利用,既減少了環(huán)境污染問(wèn)題,又達(dá)到了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求。劑,對(duì)節(jié)約制水成本有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將上述八種氨氮吸附劑做了比較分析,見(jiàn)表1。1.4納米硬硅鈣石改性對(duì)吸附技術(shù)來(lái)講,選擇一種經(jīng)濟(jì)、高效的吸附從表1中可以看出,沸石、膨潤(rùn)土、海泡石和粉煤灰經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理,對(duì)氨氮的去除率都達(dá)到了90%以上,而沸石、膨潤(rùn)土和粉煤灰價(jià)格較低廉,是優(yōu)選吸附劑;由北京科技大學(xué)提供的納米硬硅鈣石不需要改性,沸石、膨潤(rùn)土、竹炭和粉煤灰改性方法較簡(jiǎn)單,而用于稀土改性的氧化鈰在市面上賣到每噸46000元,雖然氧化鈰-焙燒改性稀土對(duì)氨氮的去除效果較好,但是由于價(jià)格昂貴,不建議采用;海泡石、納米硬硅鈣石、粉煤灰等再生問(wèn)題還有待研究,膨潤(rùn)土回收成本相對(duì)較高。沸石較其它氨氮吸附劑再生能力強(qiáng)且運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較成熟?？偟膩?lái)說(shuō),綜合考慮吸附劑對(duì)氨氮的去除效果、再生能力、改性制備方法、在市面上的價(jià)格及其來(lái)源等因素,沸石吸附劑在對(duì)氨氮去除方面占有很大的優(yōu)勢(shì),適合于處理氨氮濃度小于100mg/L的水樣,具有廣泛的應(yīng)用前景。2去除污水中的有機(jī)物考慮到實(shí)際水樣往往要去除不同的水質(zhì)指標(biāo),將兩種或兩種以上吸附劑進(jìn)行優(yōu)化組合使其產(chǎn)生協(xié)同作用、發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),從而滿足出水水質(zhì)要求。在工程實(shí)際應(yīng)用中較常用活性炭-沸石、活性氧化鋁分子篩-沸石、陶粒-沸石處理有機(jī)物和氨氮,用鋼渣-沸石、粉煤灰-沸石吸附廢水中的磷酸鹽和氨氮。鄧慧萍等發(fā)現(xiàn)沸石+活性炭工藝能有效去除微污染源水中的氨氮和有機(jī)物。馮喆文發(fā)現(xiàn)先投放活性炭后投放沸石比先投放沸石后活性炭對(duì)氨氮的去除效果較好,其去除效率可達(dá)70%~75%。陳彩云等在豬場(chǎng)廢水中采用活化鋼渣和沸石(4:1時(shí))吸附磷酸鹽和氨氮,兩者的去除率分別75.87%和89.71%。沸石存在吸附容量有限,對(duì)有機(jī)物吸附能力不強(qiáng)等局限性,所以經(jīng)常將它與其它吸附劑進(jìn)行優(yōu)化組合,提高各自吸附劑的吸附容量,延長(zhǎng)吸附飽和時(shí)間,提高吸附劑的利用率。3吸附氨氮吸附劑以阜新市某污水處理廠為例,該廠日回用水量為7×104m3,假設(shè)中水氨氮的起始濃度是30mg/L,采用吸附技術(shù),選擇一種適合的吸附劑,使處理后的出水氨氮濃度達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(氨氮濃度低于15mg/L),即處理1t水須去除15g氨氮。阜新市擁有豐富的沸石、粉煤灰和膨潤(rùn)土資源,這三種吸附劑以阜新市現(xiàn)有的價(jià)格為準(zhǔn)(阜新志波沸石加工廠、阜新城南熱電廠、阜新地區(qū)膨潤(rùn)土原礦),并以這三種吸附劑對(duì)氨氮去除效果較好的試驗(yàn)為依據(jù),對(duì)這三種吸附劑在理論上簡(jiǎn)單地進(jìn)行藥劑費(fèi)經(jīng)濟(jì)性比較(見(jiàn)表2)。鑒于表1中這三種氨氮吸附劑的吸附性能特點(diǎn),表2的理論計(jì)算,綜合考慮,利用鈣型沸石脫氮的費(fèi)用還是比較經(jīng)濟(jì)的。4其他吸附劑氨氮吸附劑在我國(guó)儲(chǔ)量大,種類多,其中沸石在吸附性能、處理成本、改性、反應(yīng)條件、吸附劑再生、運(yùn)行等方面都占有一定的優(yōu)勢(shì),性價(jià)