李凱 劉漢湖 潘凌瀟
摘要:以100 mg/L氨氮模擬污水為研究對(duì)象,探討次氯酸鈉氧化法以及化學(xué)沉淀法脫除污水中氨氮的最佳反應(yīng)條件。結(jié)果表明,次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法單獨(dú)使用均可以在一定程度上去除污水中的氨氮;次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合使用可以提高污水中氨氮的去除率,出水達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),相對(duì)而言,化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法比次氯酸鈉氧化法-化學(xué)沉淀法效果更佳。
關(guān)鍵詞:次氯酸鈉氧化法;化學(xué)沉淀法;氨氮
中圖分類號(hào): X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2014)03-0330-03
近年來(lái),隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,大量高濃度的含氮污水被排入水體,導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[1]。水體中的氮包括有機(jī)氮、無(wú)機(jī)氮,兩者之和稱為總氮(TN)。有機(jī)氮包括蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類化合物、硝基化合物等。無(wú)機(jī)氮包括氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)。由于氨氮是氮循環(huán)的核心,同時(shí),氨氮一般要經(jīng)過硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮才能轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)?,所以氮素大部分是由氨氮轉(zhuǎn)化而來(lái)。污水中氨氮去除方法包括物理方法、化學(xué)方法、生物方法等。雖然每種處理技術(shù)都能有效地去除氨氮,但是實(shí)際應(yīng)用于污水的處理方法應(yīng)具有應(yīng)用方便、處理性能穩(wěn)定、適用于污水水質(zhì)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。本研究采用次氯酸鈉氧化法及化學(xué)沉淀法處理污水,并比較2種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn),旨在為氨氮污水處理提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)原理
1.1.1 次氯酸鈉氧化法 向含氨氮的污水中加入次氯酸鈉后,次氯酸、次氯酸根離子能夠與水中的氨反應(yīng)產(chǎn)生一氯胺、二氯胺、三氯胺。由于三氯胺在pH值<5.5條件下才能穩(wěn)定存在,而且在水中溶解度很低,所以天然水中幾乎不存在三氯胺。只要次氯酸鈉劑量足夠,就可以通過一系列反應(yīng)將水中的氨氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)狻?/p>
1.1.2 化學(xué)沉淀法 化學(xué)沉淀法是指向污水中投加Mg2+、PO43+,使其與污水中的氨氮生成難溶的磷酸銨鎂沉淀物,從而將污水中的氨氮脫除[2]?;瘜W(xué)沉淀法中常用的鎂鹽試劑有MgO、MgCl2、MgSO4,以Na2HPO4、NaH2PO4、H3PO4作為磷酸根的來(lái)源。但是H3PO4與MgO 僅在局部發(fā)生接觸,反應(yīng)生成膠狀的Mg3(PO4)2或Mg(OH)2,且MgO是難溶的氧化物,致使氨氮去除率低[3]。由于相同質(zhì)量的NaH2PO4·2H2O對(duì)氨氮去除率略低于Na2HPO4·12H2O,因此,本試驗(yàn)主要選用Na2HPO4·12H2O、MgCl2·6H2O作為沉淀劑。
1.2 試劑與儀器
氯化銨、濃硫酸、硫代硫酸鈉、磷酸氫二鈉、氯化鎂、碘化鉀、可溶性淀粉等試劑均為分析純,次氯酸鈉(有效氯含量10%)。FA2004N電子天平、pH410A型酸度計(jì)、752型紫外光柵分光光度計(jì)、HJ-6多頭磁力加熱攪拌器。
1.3 模擬污水的配制
稱取0.763 8 g氯化銨,在100~105 ℃下干燥2 h,溶于 2 000 mL 水中,配制成濃度為100 mg/L的模擬污水。
1.4 方法
采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮含量,采用碘量法測(cè)定有效氯含量,采用酸度計(jì)測(cè)定pH值。
1.4.1 次氯酸鈉氧化法 將次氯酸鈉溶液與氨氮加入污水水樣中,用HJ-6多頭磁力加熱攪拌器攪拌一段時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后,用淀粉-碘化鉀試紙測(cè)試廢水中是否含有游離氯,若含有游離氯,可以向經(jīng)處理的污水中加入適量的3.5 g/L硫代硫酸鈉溶液以消除游離氯。
1.4.2 化學(xué)沉淀法 將Na2HPO4·12H2O與MgCl2·6H2O投放到污水中,用10%NaOH溶液與10%HCl溶液調(diào)節(jié)污水pH值,用HJ-6多頭磁力加熱攪拌器攪拌2 h,使之與氨氮充分反應(yīng)生成磷酸銨鎂,靜置2 h左右,取上清液測(cè)定污水中氨氮的含量[4]。
2 結(jié)果與分析
2.1 次氯酸鈉氧化法
2.1.1 氯與氨氮的量比對(duì)污水中氨氮去除率的影響 理論上,當(dāng)氯與氨氮的量比為1.5時(shí)可以將氨氮氧化為氮?dú)?,但是?shí)際應(yīng)用中常受污水中其他因素的影響,氯與氨氮的量比往往會(huì)偏離1.5。在室溫且pH值為自然狀態(tài)下,控制反應(yīng)時(shí)間為20 min,探究氯與氨氮的量比對(duì)污水中氨氮去除率的影響,結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,當(dāng)氯與氨氮的量比為12~1.7時(shí),隨著氯與氨氮的量比的增大,氨氮的去除率不斷提高;當(dāng)氯與氨氮的量比為1.7時(shí),氨氮去除率達(dá)63.6%;當(dāng)氯與氨氮的量比大于1.7時(shí),氨氮的去除率上升較慢。因此,建議氯與氨氮的量比為1.7。
2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)污水中氨氮去除率的影響 在室溫且pH值為自然狀態(tài)下,當(dāng)氯與氨氮的量比為1.7時(shí),研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)污水中氨氮去除率的影響,結(jié)果如圖2所示。
由圖2可以看出,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),氨氮去除率有所提高,但是提高緩慢。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由20 min延長(zhǎng)至60 min時(shí),氨氮去除率僅由63.6%提高到68.1%。從節(jié)能角度考慮,反應(yīng)時(shí)間為 20 min較為合適。
2.1.3 pH值對(duì)污水中氨氮去除率的影響 室溫下,反應(yīng)時(shí)間為20 min,氯與氨氮的量比為1.7時(shí),研究pH值對(duì)污水中氨氮去除率的影響,結(jié)果如圖3所示。
由圖3可以看出,隨著pH值的上升,氨氮的去除率呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì),當(dāng)pH值為7~9時(shí)氨氮去除率較高。當(dāng)pH值大于9時(shí),氨氮的去除率下降較快。因此,最適pH值為7~9,即可以選擇自然水體。次氯酸鈉氧化法能夠有效去除污水中的氨氮,與傳統(tǒng)的氯系氧化劑液氯相比,使用次氯酸鈉作為氧化劑不會(huì)產(chǎn)生氯氣外泄的危險(xiǎn)[5],而且可進(jìn)一步減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。但是,水體中的其他物質(zhì)也會(huì)消耗部分有效氯,影響處理效果[6]。
2.2 化學(xué)沉淀法
2.2.1 藥劑配比對(duì)污水中氨氮去除率的影響 溶液中反應(yīng)離子的超飽和度是影響晶核形成的主要原因,適度投加鎂鹽、磷酸鹽可以進(jìn)一步去除氨氮[7]。因此,n(Mg) ∶ n(N)固定為1.1,pH值為9.0,反應(yīng)時(shí)間為4 h,改變磷酸鹽的投加量以確定最佳的n(P) ∶ n(N)值,結(jié)果如圖4所示。
由圖4可以看出,當(dāng)n(P) ∶ n(N)為1.2時(shí),氨氮去除率最高,達(dá)到了18.1%,以后隨著n(P) ∶ n(N)的增加,氨氮去除率有下降的趨勢(shì)。因此,n(P) ∶ n(N)為1.2,pH值為9.0,反應(yīng)時(shí)間為4 h,改變鎂鹽的投加量以確定最佳的n(Mg) ∶ n(N)值,結(jié)果如圖5所示。
由圖5可以看出,當(dāng)n(Mg) ∶ n(N)為1.5時(shí),氨氮去除率達(dá)28.8%。由此可知,最佳投加量確定為n(Mg) ∶ n(N) ∶ n(P)為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2。
2.2.2 pH值對(duì)污水中氨氮去除率的影響 將投加量控制為n(Mg) ∶ n(N) ∶ n(P)為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2,反應(yīng)時(shí)間4 h,在不同pH值條件下測(cè)定氨氮的去除率,因?yàn)榱姿徜@鎂為堿性鹽,在酸性條件下完全溶解[8-9],所以pH值取值范圍為8.0~140,結(jié)果如圖6所示。
由圖6可以看出,當(dāng)pH值為9.0~11.0時(shí),氨氮的去除
效果較好,當(dāng)pH值為10.0時(shí)氨氮去除率達(dá)到54.4%。當(dāng)pH值小于8.0時(shí),僅有少量沉淀生成。當(dāng)pH值大于11.0時(shí),沉淀物為乳膠狀,可以判定此時(shí)生成的沉淀物不是磷酸銨鎂。化學(xué)沉淀法操作方便,氨氮去除率較高,生成的磷酸銨鎂沉淀可以回收,作為緩釋化肥[10]。但是化學(xué)沉淀法反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),運(yùn)行費(fèi)用較高。
2.3 次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合脫除污水中的氨氮
從以上試驗(yàn)可以看出,次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法對(duì)于污水中的氨氮都有一定去除效果,單獨(dú)使用其中一種方法,均不能達(dá)到氨氮的排放指標(biāo),因此,筆者嘗試聯(lián)合采用次氯酸鈉氧化法以及化學(xué)沉淀法脫除污水中的氨氮。
2.3.1 化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法脫除污水中的氨氮 n(Mg) ∶ n(N) ∶ n(P)為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2,pH值為10.0,在 HJ-6 多頭磁力加熱攪拌器中攪拌2 h充分反應(yīng),沉淀2 h后取上清液,加入次氯酸鈉溶液氧化脫除廢水中剩余的氨氮,20 min 后向廢水中加入適量的3.5 g/L硫代硫酸鈉溶液以消除游離氯,對(duì)污水中的氨氮含量進(jìn)行測(cè)定(表1)。結(jié)果表明,處理后的廢水達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(<25 mg/L)。
由此可知,次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合使用可以提高污水中氨氮的去除率,處理后的廢水能夠達(dá)到 GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言,化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法去除效果更好。
3 結(jié)論
本研究表明,次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法均可以在一定程度上去除污水中的氨氮。次氯酸鈉氧化法與化學(xué)沉淀法聯(lián)合使用可以提高污水中氨氮的去除率,處理后的廢水能夠達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言,化學(xué)沉淀法-次氯酸鈉氧化法去除效果更好。
參考文獻(xiàn):
[1]賈建麗,何緒文,車 冉,等. 電解法去除高濃度氨氮廢水工藝研究[J]. 九江學(xué)院學(xué)報(bào),2009(6):53-56.
[2]孫 娟,趙 丹,劉軼韻,等. 富營(yíng)養(yǎng)化水體的氮磷脫除技術(shù)進(jìn)展[J]. 金屬世界,2009(增刊):83-87.
[3]王玉琪,王俐聰,劉駱峰,等. 氫氧化鎂用于去除廢水中氨氮的研究[J]. 鹽業(yè)與化工,2010,39(4):4-6.
[4]Bouropoulos N C ,Koutsoukos P G. Spontaneous precipitation of struvite from aqueous solutions[J]. Journal of Crystal Growth,2000,213(3/4):381-388.
[5]張勝利,劉 丹,曹 臣. 次氯酸鈉氧化脫除廢水中氨氮的研究[J]. 工業(yè)用水與廢水,2009,40(3):23-26.
[6]顧慶龍. 次氯酸鈉氧化法脫除二級(jí)生化出水中氨氮的中試研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理,2007,32(12):97-99,147.
[7]李 柱,杜國(guó)勇,鐘 磊. 化學(xué)沉淀法去除廢水中的氨氮實(shí)驗(yàn)[J]. 天然氣化工,2009,34(4):24-26.
[8]Doyle J D,Parsons S A. Struvite formation,control and recovery[J]. Water Research,2002,36(16):3925-3940.
[9]鄒安華,孫體昌,邢 奕,等. pH對(duì)MAP沉淀法去除廢水中氨氮的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài),2005(4):4-6.
[10]霍守亮,席北斗,劉鴻亮,等. 磷酸銨鎂沉淀法去除與回收廢水中氮磷的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展,2007,26(3):371-376.