離子交換樹(shù)脂處理低濃度氨氮廢水

　　污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于氨氮指標(biāo)有嚴(yán)格的排放要求，但是污水處理廠在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中仍常面臨出水氨氮超標(biāo)的問(wèn)題。特別是當(dāng)廢水中的污染物如氨氮、有機(jī)物等濃度較低時(shí)，生物脫氮法、吹脫法及沉淀法等去除效果均不理想，所以低濃度氨氮廢水的治理在經(jīng)濟(jì)與處理效果上總是難以兩全，由于離子交換法對(duì)于處理低濃度氨氮廢水具有投資省、工藝簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得一定的研究成果。楊少霞等研究了pH、樹(shù)脂投加量、反應(yīng)溫度等對(duì)樹(shù)脂吸附容量的影響，并進(jìn)行了吸附等溫線、吸附熱力學(xué)的研究。嚴(yán)偉峰等對(duì)樹(shù)脂材料進(jìn)行了篩選，并采用靜態(tài)吸附法研究了NH+4在陽(yáng)離子交換樹(shù)脂上的吸附行為。但是這些研究主要停留在機(jī)理研究階段，而實(shí)際廢水中存在的鈣鎂等陽(yáng)離子與NH+4對(duì)離子交換樹(shù)脂吸附氨氮的行為會(huì)產(chǎn)生顯著影響，關(guān)于這方面的實(shí)驗(yàn)研究卻很少。因此，本文選用LS-40大孔弱酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，通過(guò)對(duì)比其在模擬氨氮廢水和含有其他陽(yáng)離子的實(shí)際廢水處理效果，以期獲得的數(shù)據(jù)能為離子交換樹(shù)脂處理低濃度氨氮廢水的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

　　1、實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

　　實(shí)驗(yàn)中所采用的樹(shù)脂為L(zhǎng)S-40大孔弱酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(陜西藍(lán)深特種樹(shù)脂有限公司提供)，其物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

　　實(shí)驗(yàn)用水：實(shí)驗(yàn)用水取自本溪鋼鐵廠生產(chǎn)廢水及氨氮濃度為30mg/L的氯化銨配水，廢水水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

　　氯化銨、納氏試劑、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純。

　　自制的50mL離子交換樹(shù)脂柱，有效徑高比=1∶4。磁力攪拌器、分析天平、哈希紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(DR6000)、蠕動(dòng)泵、梅特勒便攜式pH計(jì)、德國(guó)耶拿原子吸收光譜儀(novAA400P)。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　(1)靜態(tài)離子交換吸附。

　　將離子交換樹(shù)脂投入到250mL濃度為30mg/L的氨氮模擬廢水中，在磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌，考察離子交換樹(shù)脂投加量、pH、接觸時(shí)間等因素對(duì)吸附效果的影響，取反應(yīng)后上清液，采用紫外分光光度法測(cè)定氨氮濃度。

　　(2)動(dòng)態(tài)離子交換吸附。

　　量取LS-40樹(shù)脂50mL，填裝于吸附柱中，分別用模擬廢水和本鋼實(shí)際廢水進(jìn)行樹(shù)脂穿透實(shí)驗(yàn)，使用蠕動(dòng)泵控制廢水按照一定流量進(jìn)入樹(shù)脂吸附柱，定時(shí)檢測(cè)不同時(shí)間段內(nèi)處理出水氨氮值，以出水中的氨氮濃度為5mg/L為穿透點(diǎn)，繪制穿透曲線圖。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 樹(shù)脂靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

　　2.1.1 樹(shù)脂用量對(duì)吸附效果的影響

　　取250mL模擬廢水于燒杯中，分別加入2、3、4、5mL預(yù)處理過(guò)的樹(shù)脂，常溫下置于磁力攪拌器上攪拌，間隔一定時(shí)間測(cè)定反應(yīng)后氨氮的含量，并計(jì)算樹(shù)脂用量對(duì)氨氮去除效果的影響，所得結(jié)果見(jiàn)圖1。

　　由圖1可知，離子交換樹(shù)脂投加量越大，氨氮去除率越高。當(dāng)樹(shù)脂用量達(dá)到4mL時(shí)，氨氮去除率達(dá)到90%以上。再繼續(xù)增加樹(shù)脂體積，去除率變化不大。從經(jīng)濟(jì)成本考慮，確定實(shí)驗(yàn)所需樹(shù)脂用量為4mL。

　　2.1.2 接觸時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

　　在250mL模擬廢水中加入LS-40樹(shù)脂4mL，20℃下攪拌，分別在1、2、3、5、7、8、10、12、15、20、22、25、30min時(shí)取樣，過(guò)濾后測(cè)定氨氮濃度，所得結(jié)果見(jiàn)圖2。

　　由圖2可知，氨氮去除率隨接觸時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。當(dāng)接觸時(shí)間大于15min后，氨氮去除率基本保持穩(wěn)定。這是因?yàn)殡x子交換樹(shù)脂對(duì)NH+4的離子交換達(dá)到飽和后會(huì)出現(xiàn)離子交換的吸附平衡。因此，后續(xù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)選擇接觸時(shí)間為15min。

　　2.1.3 pH對(duì)吸附效果的影響

　　在250mL模擬廢水中加入預(yù)處理的LS-40樹(shù)脂4mL，調(diào)節(jié)溶液pH分別為5、6、7、8、9、10，室溫下攪拌15min，取反應(yīng)后上清液測(cè)定氨氮濃度，所得結(jié)果見(jiàn)圖3。

　　由圖3可知，當(dāng)pH為5.5～8.5時(shí)，氨氮去除率變化不大;當(dāng)pH大于9時(shí)，氨氮的去除率迅速下降。這是因?yàn)楫?dāng)pH升高時(shí)，可提供離子交換吸附的NH+4減少，影響離子交換吸附行為的發(fā)生。綜合考慮氨氮去除率和調(diào)節(jié)pH的氫氧化鈉使用量，確定后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)水pH為6.5。

　　2.2 樹(shù)脂穿透實(shí)驗(yàn)

　　2.2.1 實(shí)際廢水處理前后水質(zhì)變化

　　量取50mLLS-40樹(shù)脂，填裝于吸附柱中，使用蠕動(dòng)泵以3BV/h(BV為倍樹(shù)脂體積)流量進(jìn)入吸附柱，每1h取樣一次，當(dāng)出水氨氮達(dá)到穿透濃度為5mg/L時(shí)停止進(jìn)水，檢測(cè)處理前后廢水pH、COD、鈣、鎂、鉀、鐵、氨氮的含量，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

　　由表3可以看出，檢測(cè)處理廢水體積6.8L后的瞬時(shí)出水，氨氮的濃度為4.6mg/L，同時(shí)檢測(cè)出水中的鈣、鎂、鉀、鐵的濃度也降低明顯，說(shuō)明其他離子也同氨氮一起交換到樹(shù)脂上，降低了含氨氮廢水的處理量。

　　2.2.2 實(shí)際廢水與模擬廢水的穿透曲線

　　用模擬氨氮廢水(氨氮濃度為30mg/L)與本鋼實(shí)際廢水(氨氮濃度為31.5mg/L)同時(shí)進(jìn)行樹(shù)脂穿透實(shí)驗(yàn)，目的在于能夠更好的研究離子交換過(guò)程。

　　實(shí)驗(yàn)均用LS-40樹(shù)脂50mL，控制進(jìn)水pH=7，進(jìn)水流速為3BV/h，當(dāng)出水氨氮濃度達(dá)到穿透濃度5mg/L時(shí)，停止進(jìn)水，繪制穿透曲線圖，所得結(jié)果見(jiàn)圖4。

　　由圖4可以看出，同樣的進(jìn)水氨氮濃度，實(shí)際廢水的處理量與模擬廢水相比，降低了63%，這是由于水中鈣鎂等陽(yáng)離子同樣與樹(shù)脂進(jìn)行了離子交換，降低了樹(shù)脂對(duì)于氨氮的處理能力。

　　2.3 樹(shù)脂解吸實(shí)驗(yàn)

　　動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)處理模擬廢水與本鋼廢水的樹(shù)脂，均進(jìn)行了3次解吸再吸附，解吸液均采用150mL4%鹽酸進(jìn)行解析，所得結(jié)果見(jiàn)圖5。

　　從圖5可以看出，隨著處理模擬廢水的樹(shù)脂解析和再吸附次數(shù)的增加，氨氮處理效果變化不大，但是處理本鋼廢水的樹(shù)脂用同樣體積的解吸液進(jìn)行解吸，解吸2次后氨氮處理效果降低60%，這是因?yàn)橛猛瑯芋w積的解吸液，無(wú)法將其他陽(yáng)離子完全解吸下來(lái)，導(dǎo)致處理效果下降。

　　3、結(jié)論

　　(1)使用LS-40陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)氨氮濃度為30mg/L的模擬廢水去除的較優(yōu)條件是：pH為6.5～7.5、樹(shù)脂投加量為16mL/L、反應(yīng)時(shí)間為15min時(shí)，氨氮去除率達(dá)90%以上。

　　(2)采用動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際廢水與模擬廢水的對(duì)比，實(shí)際廢水中由于鈣鎂等陽(yáng)離子的影響，同樣的氨氮濃度，處理氨氮能力比模擬廢水的處理水量降低了63%。在解吸過(guò)程中，同樣的解吸液體積，可以將氨氮完全解吸下來(lái)，但是鈣鎂等離子，無(wú)法解吸完全。因此，實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的含低濃度氨氮廢水，使用離子交換樹(shù)脂處理局限性較大，影響因素較多，需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，才能應(yīng)用于實(shí)際廢水處理工藝。

　　(來(lái)源：沈陽(yáng)化工研究院設(shè)計(jì)工程有限公司)