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常见问题

沸石吸附水中氨氮的影响因素

时间:2020/12/07点击:

摘要:考察了沸石对氨氮的吸附性能和影响因素,结果表明:适宜的沸石种类和粒径能快速吸附水中的氨氮,吸附时间越长,去除率越大,但吸附时间达到10min以后,吸附速率明显减缓;水体越接近中性,氨氮去除效果越好;电导率也会影响沸石吸附氨氮的性能。

氨氮是水体受到污染的标志之一,容易引起水体藻类及其他微生物大量繁殖,形成水体富营养化,严重时会使水中溶解氧下降,鱼类死亡,水质黑臭,最终导致湖泊干涸消失。氨氮排放量远超出受纳水体的环境容量、污染负荷压力大,是造成目前地表水体氨氦超标的主要原因。

水体中氨氮超标会导致藻类和微生物大量繁殖,给水处理工艺流程和配水管网带来危害。目前去除氨氮的技术主要分为生化和物化两类:生化法有硝化及藻类养殖法,硝化法主要利用微生物的硝化反硝化作用去除多种含氮化合物。在实际的水厂运行中,由于接触空气,很难进行有效的反硝化反应,虽处理能力大,抗冲击负荷能力强,但反应器占地面积大,基建投资高,受气温水质等因素影响较大,运行成本高,不适于国内的自来水行业使用。物化法有离子交换法、折点氯化法、吹脱法、化学沉淀法、电化学法等。综合考虑氨氮去除工艺,并结合水厂现有的工艺流程和运行成本,采用离子交换法去除氨氮比较适用。

1、沸石吸附氨氮的性能

沸石的吸附机理和活性炭不尽相同,活性炭依靠其丰富的孔洞吸附水中杂质,是一个物理过程。而沸石首先是一个物理吸附过程,当吸附质粒子与吸附剂表面之间形成化学吸附键并构成表面络合物时,沸石开始化学吸附即离子交换过程。其离子交换性能主要与沸石结构中硅铝比的高低、沸石孔穴的大小、阳离子性质和位置有关。

沸石去除水中的氨氮主要是利用沸石对阳离子的选择交换过程,其孔穴和孔道的直径与氨氮微粒的直径相当,因此对氨氮有很强的选择吸附性能。不同的沸石其物理和化学性质都有差别,对氨氦的吸附也有差别。我国天然沸石资源丰富,利用沸石去除水体中氨氮污染物价格低廉,具有较好的应用前景。对自来水厂原水短期及突发性氨氮污染,投加沸石具有设备简单、投资少、价格便宜、吸附速度快、去除率高等优势。

2、沸石吸附氨氮的影响因素

2.1 沸石的种类和粒径

选取沸石1号80目、沸石1号200目以及沸石2号200目共3种沸石,同时在ZR4-6六联混凝实验搅拌机上进行实验。原水氨氮为0.92mg/L,每种沸石均称取2份各2.0g做平行实验,快速搅拌2min,静置20min后测定出水氨氮,结果见表1。

表1 沸石类别及粒径对氨氮去除的影响

沸石种类 出水氨氮
沸石1号80目 0.32 0.34
沸石1号200目 0.24 0.22
沸石2号200目 0.18 0.20

可以看出,同一种类的沸石粒径越小吸附率越大,而同一粒径、不同种类的沸石吸附率也有差异。选择沸石2号、粒径200目的沸石进行后续实验。

2.2 沸石投加量

分别取1000mL氨氮浓度为0.96mg/L的原水置于6个烧杯中,称取不同质量的沸石快速搅拌2min,静置10min后测定上清液氨氮,结果见图1。

沸石吸附水中氨氮的影响因素

可以看出,沸石投加量越大去除率越大。沸石投加量为2.Og时,去除率达到75.0%,增加投加量去除率升高变缓,意义不大。在一定的投加量范围内,氨氮去除率与沸石投加量成正相关性。原水中能被沸石吸附去除的氨氮是一个相对固定值,过量投加沸石并不能显著提高氨氮的去除率,反而造成沸石的浪费。

2.3 接触时间

沸石与原水接触时间越长,吸附率也越大,普通水处理工艺能满足沸石吸附氨氮的时间要求。原水氨氮为0.99mg/L,投加2.0g沸石快速搅拌2min后,间隔不同时间测定上清液氨氮,结果见表2。

表2 接触时间对去除效果的影响

间隔时间/min 2 5 10 20 30 60
出水氨氮/(mg·L-1) 0.34 0.28 0.24 0.21 0.19 0.18
去除率/% 65.7 71.2 75.8 78.8 80.8 81.8

可以看出,在前2min甚至更短的时间内沸石快速吸附氨氮,去除率超过60%;随着时间延长,去除率并未明显增加,逐渐达到平衡。对自来水厂处理短期、突发性氨氮污染原水面言,投加时间和投加点比较灵活,在混凝阶段或絮凝阶段投加皆可,方便操作。

2.4 水体pH

分别取1000mL氨氮浓度为0.97mg/L的原水,用盐酸和氢氧化钠依次调节各原水pH值在1.0、3.0、5.0、7.0、9.0和11.0左右,分别投加2.0g沸石快速搅拌2min,沉淀10min后测定上清液氨氮,结果见图2。

沸石吸附水中氨氮的影响因素

氨氮去除率随着pH值的增加先升高后降低,pH值在5.0和7.0时去除率较大。氨氮在水中存在一个平衡:NH4++OH-→NH3+H2O,在酸性环境下,氨氮浓度高,H+浓度也高,H+会和氨氮争夺沸石的离子交换位置。在碱性环境下,氨氮会与水中的OH-结合,降低了氨氮浓度,所以2种情况下的去除率均不高。在水体越接近中性的情况下,沸石去除氨氮的效果越好。

2.5 电导率

投加电解质NaCl改变原水的电导率,考察电导率对沸石吸附氨氮的影响。分别取1000mL氨氮浓度为0.98mg/L的原水,依次加入不同量的NaCl,中性条件下调节电导率。分别投加2.0g沸石快速搅拌2min,沉淀10min后测定各杯上清液氨氮,结果见图3。

沸石吸附水中氨氮的影响因素

可以看出,通过添加电解质改变原水的电导率对沸石吸附氨氮的影响较大,电导率由127μs/cm升高到624μs/cm时,出水氨氮浓度逐渐增加,氨氮去除率下降明显,由71.4%下降到51.0%。这主要是因为沸石不仅能吸附水中的氨氮,还能吸附水中的阳离子如Na+,电解质中阳离子的存在会阻碍沸石吸附氨氮的效能。

3、结论

①沸石的种类和粒径会影响对氨氮的吸附,同一种沸石,粒径越小,目数越大,对氨氮的去除率越高,但是过小的粒径会提高制水成本。

②虽然沸石投加量越大对氨氮的去除效果越好,但实际生产中要考虑经济等多种因素,应根据原水氨氮以及出水氨氮的限值选择合适的投加量,以保证水质。

③沸石对氨氮的吸附作用可以分为快速吸附、慢速吸附、相对平衡3个阶段,其中快速吸附在投加后几分钟内完成。在实际生产中,可灵活选择投加点。

④调节原水由酸性变为中性再变为碱性,沸石对氨氮的去除率先升高后降低,在接近中性时去除率较高。

⑤沸石对水中阳离子都有吸附性能,电解质的存在会影响沸石对氨氮的吸附效果。电导率越大,干扰阳离子越多,沸石对氨氦的吸附效果越差。