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，水環(huán)境中氨氮污染日益嚴(yán)重。過量的氨氮不僅容易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化污染，而且當(dāng)廢水重排放時，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。目前國內(nèi)外報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、操作簡單、無二次污染、吸附劑可再生利用等優(yōu)點,受到當(dāng)今越來越多環(huán)境工作者所青睞。目前國內(nèi)外常用的氨氮吸附劑主要有:沸石、蛭石、膨潤土、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、資源狀況等進(jìn)行合理選擇,很值得探討。本文對這一問題進(jìn)行了分析,對實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。1國內(nèi)外對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21個省市、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,沸石對氨氮的去除主要歸為沸石對氨氮的高效吸附性能和陽離子交換性能。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)致陽離子交換容量普遍較低,所以常對其進(jìn)行鹽改性、酸改性、堿改性和熱改性處理。周小寧通過掃描電鏡得知,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)鈣型沸石對氨氮去除率為91.53%,對氨氮的吸附容量高達(dá)46.56mg/g。飽和鈣型沸石經(jīng)過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離子。蛭石對氨氮的作用以離子交換為主,蛭石對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)出對氨氮的高去除率。但目前利用蛭石吸附氨氮在實際工程的應(yīng)用還較少。1.1.3化學(xué)加量機(jī)植酸鹽型膨潤土主要集中在我國東北和東部沿海各省。膨潤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+等陽離子所平衡,所以有較強(qiáng)的陽離子交換能力和吸附能力。一般通過酸、鹽和加熱等方法對膨潤土進(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%氯化鈉改性的膨潤土對氨氮最高去除率可達(dá)到90.68%。膨潤土是一種天然廉價的礦物,改性的膨潤土對氨氮去除效果較好,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模擬廢水氨氮濃度吸附率達(dá)到80.23%。改性稀土吸附劑對氨氮有較好的去除效果,但是稀土及氧化鈰價格較貴,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,其對氨氮的最大吸附量可達(dá)28mg/g海泡石,在600℃以下使用,不會發(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)實用價值和開發(fā)應(yīng)用價值。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,同時硬硅鈣石含有氧化硅、氧化鈣,能提供大量Si、Ca等活性點,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,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,如王祝來等研究的竹炭對水溶液中的氨氮的吸附特性,研究結(jié)果表明:pH值為7時吸附效果最佳,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。周珊等用硝酸對竹炭進(jìn)行改性,對氨氮的去除率可達(dá)82.20%。硝酸改性竹炭,對氨氮有較好的去除效果,又因竹炭分布范圍廣,價格便宜,有著廣泛的使用價值。1.3.2污染物質(zhì)測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,通過吸附、離子交換、絮凝沉淀和過濾作用去除污水中的污染物質(zhì)。對粉煤灰改性通常采用酸溶或堿溶來提高活性成分。楊麗芳等通過應(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,對氨氮的去除率可達(dá)到92.36%,對氨氮的吸附量為3.48mg/g。改性粉煤灰對氨氮的去除效果比較好,將粉煤灰綜合利用,既減少了環(huán)境污染問題,又達(dá)到了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求。劑,對節(jié)約制水成本有重要的現(xiàn)實意義。本文將上述八種氨氮吸附劑做了比較分析,見表1。1.4納米硬硅鈣石改性對吸附技術(shù)來講,選擇一種經(jīng)濟(jì)、高效的吸附從表1中可以看出,沸石、膨潤土、海泡石和粉煤灰經(jīng)過優(yōu)化處理,對氨氮的去除率都達(dá)到了90%以上,而沸石、膨潤土和粉煤灰價格較低廉,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、膨潤土、竹炭和粉煤灰改性方法較簡單,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-焙燒改性稀土對氨氮的去除效果較好,但是由于價格昂貴,不建議采用;海泡石、納米硬硅鈣石、粉煤灰等再生問題還有待研究,膨潤土回收成本相對較高。沸石較其它氨氮吸附劑再生能力強(qiáng)且運(yùn)行經(jīng)驗較成熟?？偟膩碚f,綜合考慮吸附劑對氨氮的去除效果、再生能力、改性制備方法、在市面上的價格及其來源等因素,沸石吸附劑在對氨氮去除方面占有很大的優(yōu)勢,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,從而滿足出水水質(zhì)要求。在工程實際應(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%。陳彩云等在豬場廢水中采用活化鋼渣和沸石(4:1時)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,延長吸附飽和時間,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)到國家一級排放標(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、粉煤灰和膨潤土資源,這三種吸附劑以阜新市現(xiàn)有的價格為準(zhǔn)(阜新志波沸石加工廠、阜新城南熱電廠、阜新地區(qū)膨潤土原礦),并以這三種吸附劑對氨氮去除效果較好的試驗為依據(jù),對這三種吸附劑在理論上簡單地進(jìn)行藥劑費(fèi)經(jīng)濟(jì)性比較(見表2)。鑒于表1中這三種氨氮吸附劑的吸附性能特點,表2的理論計算,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儲量大,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,性價