改性沸石在河道治理中氨氮吸附-脱附工艺的研究
发布日期:2020-06-08       / 151

摘要:应用改性沸石对河道水体进行深度处理,能够十分有效地将其中所含中低浓度氨氮(~15 mg/L)降至到1 mg/L以下,达到《地表水环境质量标准》GB3838-2002中III类水氨氮水平。本文研究了在处理水体中氨氮时,停留时间、上升流速等对吸附的影响,同时考察了次氯酸钠氧化法与电化学氧化法对沸石脱附液再生的效果

1 停留时间与上升流速对吸附的影响

改性沸石吸附氨氮是一个进行离子交换的化学吸附过程。在吸附过程中,水中的NH4+离子与沸石发生接触碰撞,在碰撞时,固水界面有机率发生界面相互作用,由于沸石对NH4+离子的总交换容量在一般在50 – 220 mmol/100 g,高于沸石表面的Na+的交换势[5],NH4+会与Na+发生离子交换作用,吸附到沸石表面,由此完成氨氮从水中的脱离。所以,NH4+离子与沸石表面的有效接触与传质效率就变得很重要。

要得到高的氨氮吸附,就必须使两者由足够时间的进行交换反应,同时,适合的上升流速能使得废水中NH4+与沸石发生碰撞,一定条件下形成紊流,让进水的实际水流路径与流速大于表观上升路径与流速,有助于NH4+离子向沸石表面的传质。

对此,本文对河道水在吸附塔中的停留时间与上升流速对出水氨氮的影响进行了研究。我们首先在不同停留时间下,上升流速固定为6 m/h,采用连续进水处理工艺进行实验。经过实验发现,停留时间为20、30、40、50、60 min对应的处理出水氨氮浓度为1.32、0.96、0.72、0.51、0.39 mg/L,随着停留时间的增加,出水氨氮的浓度随之减少。停留时间达到30 min即可达到所需水质要。但由于这个停留时间下出水氨氮为0.96 mg/L,尽管在目前河道进水水质下(≤ 16.3 mg/L),但若发生较明显得负荷冲击,极易排放超标。为了出水氨氮稳定< 1 mg/L,将停留时间选择为40 min。

接着,在固定40 min的停留时间下,进行了不同上升流速下的连续进水处理实验。结果表明在2、4、6、8、10 m/h的上升流速下,出水氨氮浓度为1.03、0.81、0.72、0.46、0.21 mg/L。与停留时间一样,在一定范围内,上升流速越大,处理效率越好,但考虑到若这两者都选择较大的值,则整个塔的尺寸与串联塔的个数都会过大,所以,选择4 m/h上升流速与40 min分钟停留时间为优化操作参数。

2 氨氮的脱附与脱附液的再生

利用改性沸石吸附的氨氮并没有从本质上被分解,NH4+在沸石表面不断占据吸附活性位点,当这些位点,特别是活性高的位点被占据后,沸石剩余的吸附能力将不能满足达标的要求。此时,就需要进行脱附以及对脱附液的再生处理,从根本上分解氨氮。在氨氮的脱附工艺中,采用一定的浓度NaCl溶液浸泡法,利用高倍数的Na+的离子交换势将吸附在沸石表面的NH4+置换下来。在沸石吸附能力不达标,即出水氨氮值接近1.0 mg/L(>0.95 mg/L)时,对沸石进行脱附。经过浓度分别为10%、12.5%、15%的NaCl溶液,沸石吸附容量的回复值分别为74.2%、80.8%、89.4%,并且在其后的10个周期的吸附容量不发生明显下降,与第一次脱附后相比,下降比例不超过3%。

而对于脱附液的再生,研究对比了NaClO氧化法与电化学法两个方法。NaClO氧化法采用NaClO与氨氮摩尔比为1.8 – 2 : 1的投加比例,搅拌反应12 h,通过这个方法可将NaCl溶液中的氨氮降低至0.6 mg/L以下,并且余氯不超过0.1 mg/L。电化学氧化法为连续进水处理方式,在本研究中采用的槽压为6 – 8 V100 - 120 A/m2的电流密度,装置中的溶液流速为0.2 - 0.4 m/s,电化学法利用阳极反应将水中的Cl-催化氧化为ClO•-通过自由基将氨氮氧化为N2H2O,除氨效率也达99.5%以上,氨氮余量仅为0.1 mg/L左右。

结论与展望

本研究验证了改姓沸石吸附后对河道水体的治理,在优化的操作条件下,出水氨氮可稳定保持《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)III类水标准,且有操作难度较低的脱附与脱附再生的过程可供选择。

--范佳奇