磷酸銨鎂法與沸石吸附組合工藝的脫氮除磷實(shí)驗研究

摘要：以高濃度氮磷模擬廢水為處理對象，通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗研究了MAP法(磷酸銨鎂法)與沸石吸附 組合工藝的脫氮除磷效果。以MAP法除磷脫氮后的出水作為沸石吸附過(guò)程的進(jìn)水，最終出水的氮、磷去 除率可達86．69％和99．9％，且在MAP反應過(guò)程中采取較高的pH值和Mg 濃度有利于后期沸石對氮、磷的 吸附去除。

關(guān)鍵詞：MAP法；天然沸石；吸附；去除氮磷；影響因素

1 引言

隨著(zhù)工農業(yè)生產(chǎn)規模迅速擴大，人口不斷增長(cháng)，人 們生產(chǎn)生活排放出含有大量氮、磷的生活污水和工業(yè)廢 水，使水中營(yíng)養物質(zhì)富集，引起藻類(lèi)及其他浮游生物迅 速繁殖、水體溶解氧量下降，魚(yú)類(lèi)或其他生物大量死 亡、水質(zhì)惡化。要從根本上保證水質(zhì)，需采取一定的水 源保護和水處理措施。

目前含氮磷廢水的處理方法有很多，但均有不同 的缺點(diǎn)，尤其對于含高濃度氨氮和磷酸鹽的廢水，一般 的生化方法處理效果不夠理想，而常規的化學(xué)沉淀法除 磷又會(huì )產(chǎn)生大量難以處理的污泥。20世紀60年代以來(lái)， 人們開(kāi)始研究應用磷酸銨鎂(Mgnesium Ammonium Phosphate，MAP)沉淀法去除和回收廢水中的氮磷。 反應生成的磷酸銨鎂(MgNH4PO 4·6H2O)，是一種 很好的緩釋化肥，國外已將其推向化肥市場(chǎng)。但此法仍 有不足之處，袁鵬等 的實(shí)驗結果表明，當磷的去除率高 達90％以上時(shí)，氨氮的去除率僅為13％，達不到兩者同時(shí) 高效去除的目的。

沸石是一種呈骨架狀結構的多孔性、含水的鋁酸鹽 晶體，能夠吸附和截留特定形狀和大小的分子H ，對氨 氮的吸附有很好的效果。朱克銀和曹亮用天然斜發(fā)沸石 處理含氨氮廢水，氨氮平均去除率為85％；王浩等、 張美蘭等也在這方面做了研究。

在本次試驗中，擬利用MAP法與沸石吸附相結合的 組合工藝，達到同時(shí)去除氮磷的效果。但在MAP法與沸 石吸附串聯(lián)反應的過(guò)程中，MAP法需要在pH值為9．5～ 11．0 的堿性條件下進(jìn)行，并且要投加過(guò)量的鎂鹽才能保 證磷的高效去除，而溶液中較高的pH值和殘留的M 必 將對后期的沸石吸附反應造成影響。本文將研究各種影 響因素對該組合工藝的影響，包括：pH值、沸石用量、 粒徑、吸附反應時(shí)間及鎂鹽含量等因素。旨在研究該組 合工藝的可行性以及對氮磷的去除規律，為MAP法和沸 石吸附組合工藝的形式提供理論依據和技術(shù)支持。

2 實(shí)驗部分

2．1 模擬廢水的配置

稱(chēng)取0．2636g磷酸二氫鉀(KH PO4)和2．0713g氯 化銨(NH C1)溶于1L去離子水中配制模擬廢水。該模 擬廢水中磷的質(zhì)量濃度(以P計)為60．Omg／L，氨氮 的質(zhì)量濃度(以N計)為542．Omg／L (模擬鄭州某污水 廠(chǎng)污泥脫水上清液)，氮與磷的摩爾比為20：1。實(shí)驗 中所用藥劑均為分析純。

2．2 實(shí)驗過(guò)程

2．2． 1 天然斜發(fā)沸石吸附氮磷

室溫條件下在六連攪拌器上進(jìn)行分組燒杯試驗，轉速定為150r／min。本試驗全過(guò)程使用的均為浙江縉云 的天然斜發(fā)沸石。

配制1L模擬沸水，向6個(gè)l50ml的小燒杯中分別加 入100mL的模擬廢水。第一組試驗：選用180～200目 粒徑的沸石，向每個(gè)小燒杯中加入6g，分別攪拌20～ 120min，在每個(gè)樣品靜沉2h后抽濾，測定出水中的氮 磷濃度，得出最佳反應時(shí)問(wèn)。第二組試驗：選用120～ 200目(粒徑0．076～0．125ram)的沸石，分別將一定 量的沸石加入到5個(gè)盛有模擬廢水的小燒杯中，攪拌一 定時(shí)間后(該時(shí)間由最佳反應時(shí)間確定)，測出水中的 氮磷濃度，得出最佳反應粒徑。第三組實(shí)驗：選用最佳 粒徑的沸石，分別向燒杯中加入6～16g，測出水中的氮 磷濃度，得出最佳投加量。

2．2． 2 MAP法與沸石吸附組合工藝去除氮磷

配制1 L模擬廢水， 依照M g：P (摩爾比) = 1．5：1，pH=10．0的最佳反應條件 ，向盛有模擬廢 水的燒杯中加入0．3272g硫酸鎂(MgSO )，用NaOH溶 液將pH值調至10．0。在150r／min轉速下攪拌20rain，在 此期間，保證pH值恒定在10．0。反應結束后，靜沉， 抽濾，測出水的氮磷濃度。以MAP法的出水作為沸石 吸附法的進(jìn)水，在最佳反應時(shí)間、最佳粒徑、最佳用量 的條件下反應，測出最終出水的氮磷濃度，考察該組合 工藝的可行性。隨后，改變MAP反應后出水的pH值和 MAP反應中鎂鹽的投加量，研究其對后期沸石吸附的 影響，測量最終出水的氮磷濃度，得出該組合工藝對氮 磷的去除規律。

2．3 分析方法

水樣處理：實(shí)驗中，測氮磷濃度前所取水樣迅速用 0．45 m的濾膜過(guò)濾。

水樣分析：按照中國環(huán)境科學(xué)出版社出版的第四版 ((水和廢水監測分析方法》 進(jìn)行。氨氮的測定采用鈉 氏試劑分光光度法；正磷酸鹽的測定采用鉬銻抗分光光 度法。

3 結果與討論

3．1 沸石吸附去除氦磷的實(shí)驗結果

3．1．1 反應時(shí)間對氮磷去除效果的影響

不同的接觸時(shí)間直接影響天然沸石對氮磷的去除 效率。從圖1可以看出：沸石除氮磷是一個(gè)比較迅速 的過(guò)程，在最初反應的20rain內，氨氮的去除率達到 了61．77％，大部分的氨氮可以被沸石所吸附交換； 80min時(shí)，氨氮的去除率為70．65％，此后，隨著(zhù)時(shí)間的延 長(cháng)，去除率基本不再變化。沸石對磷的吸附基本上隨時(shí)間 變化不大，在最初的20min內，磷的去除率達到16．18％， 之后隨著(zhù)反應時(shí)間的延長(cháng)，基本上不再變化。

圖1反應時(shí)間對氦磷去除效果的影響

氨氮的去除在最初反應時(shí)比較迅速，Booker等 人的靜態(tài)實(shí)驗結果指出氨氮的吸附交換可以在反應開(kāi) 始的lOmin內完成；Dimova等人的研究表明了類(lèi)似 的結果：沸石去除氨氮是一個(gè)非常迅速的過(guò)程，不到 15min。這種氨氮去除隨接觸時(shí)間的變化規律基于以 下事實(shí)：最初，沸石結構中所有的吸附交換位是空的，溶液的氨氮濃度梯度高，所以吸附交換的速度非�？�； 后來(lái)，由于吸附交換位逐漸被占據，溶液中氨氮濃度緩慢降低，去除率趨于不變。而沸石對磷的吸附能力遠不及對氨氮的吸附能力。在實(shí)際操作中，為了提高工作效率，不能無(wú)限制的延長(cháng)反應時(shí)間，根據圖1可以確定最佳反應時(shí)間為80min。

3．1．2 沸石粒徑對氮磷去除效果的影響

沸石粒徑對氮磷去除效果的影響見(jiàn)圖2。一般來(lái)說(shuō)， 沸石用量越多、粒徑越小，總的吸附容量就越大，凈化 效果就越好。通過(guò)第二組實(shí)驗，可以看出氮磷的去除率隨著(zhù)沸石粒徑的減小而升高，當沸石粒徑小到一定程度 時(shí)，去除率增幅不大。

圖2 沸石細度對氦磷去除的影響

沸石的粒徑越小，比表面積越大，單位重量沸石的 可交換活性點(diǎn)就越多，因而吸附去除率也就越高。而在 實(shí)際生產(chǎn)中，粒徑太小不利于操作，故最佳細度確定為 180～200目。

3．1．3 沸石用量對氮磷去除效率的影響

不同的用量直接影響沸石對氮磷的吸附。沸石對氮 磷的去除效率隨投加量的變化曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可 以看出，氮磷的去除率隨著(zhù)投加量的增加而迅速上升， 因為沸石投加量越大，總的吸附容量就越大，故去除率也就越高。當投加量大于12g／1OOmL模擬廢水時(shí)，氮磷的去除率增幅不再明顯。工程實(shí)際中，考慮到成本， 投加量不能無(wú)限增加，故最佳用量確定為12g／100mL模擬廢水，同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

3．2 MAP法與沸石吸附組合工藝去除氮磷

3．2．1 組合工藝的處理效果

模擬廢水的初始氮磷濃度分別為542．0mg／L、 60．0mg／L，按照最佳反應條件進(jìn)行MAP反應后，測得 出水中的氮磷濃度。再將此反應的出水做為沸石吸附反 應的進(jìn)水，測最終出水的氮磷濃度，數據如表1所示。 由表1可以看出，MAP法對磷有著(zhù)很高的去除效率，但仍有大量的氨氮存在。經(jīng)過(guò)沸石吸附后反應(反應時(shí)間80min、沸石細度1 80～200目、用量 12g／100mL模擬廢水)后，測得出水中的氨氮的濃度大幅度降低，MAP法與沸石吸附組合工藝下去除氮磷的效果可觀(guān)，基本能夠達到同時(shí)去除兩種營(yíng)養元素的目的。

3．2．2 pH值對組合工藝去除氮磷的影響

pH值對后期沸石吸附反應是有影響的。取經(jīng)過(guò) MAP法反應后的水樣，將pH值分別調至6．0、8．0、 10．0，投加一定量的沸石(12g／100mL模擬廢水)進(jìn)行 吸附反應，測得最終出水的氮磷含量如表2所示：

由表2數據可以看出，pH值對除磷的影響不大，因 為磷主要在前期的MAP法中已經(jīng)基本去除；但pH值對 氨氮的去除還是有一定影響的，氨氮的去除率隨著(zhù)pH值 的升高有所增加。這主要是由于廢水中NH 與NH 存在 著(zhù)以下的化學(xué)平衡關(guān)系： 當溶液中pH較低時(shí)，廢水中的H 離子濃度增加， 氨氮主要以NH 形式存在，有利于吸附作用的發(fā)生。

當溶液中H+濃度較高時(shí)，H+的直徑為0．24nm，而NH4+為 0．286nm，故H+比NH4+易于進(jìn)入沸石孔道內，與沸石上的金屬陽(yáng)離子發(fā)生交換，導致NH 不能被沸石充分吸附 交換，使得氨氮去除效果差。

當溶液中pH值升高時(shí)，氨氮主要以NH3·H2O存在，NH4+減少，雖然沸石吸附作用減弱，但逸出的氨氣占主導，剩余的氨氮濃度降低，故去除率持續升高。 但這樣易造成大氣的二次污染，且堿的投加會(huì )造成處理 成本增加，故溶液的pH也不能過(guò)高。

3．2．3 Mg2+含量對組合工藝去除氮磷的影響

通過(guò)調整MAP法的鎂磷摩爾比來(lái)改變水qUMg 的含 量，探討Mg2+含量對后期沸石吸附的影響。三組平行實(shí) 驗中分別將鎂磷比設為l：1、1．5：1、2：1，得出的實(shí)驗結果如表3所示：

由表3可以看出，Mg2+含量越高，磷的去除率略有增加；而對氨氮的去除率有明顯的影響。經(jīng)過(guò)MAP法后， 溶液Mg2+剩余量越多，沸石對氨氮的吸附去除效果越好。袁鵬等通過(guò)實(shí)驗得出水溶液中的Mg 濃度的提高會(huì ) 促進(jìn)MAP結晶反應的進(jìn)行。

這是由于磷酸銨鎂形成的反應式如下：當水溶液qUMg 含量較高時(shí)，有利于反應的進(jìn)行， 使MAP法的出水中氮磷濃度降低，減輕后續沸石吸附反應的負荷，最終得到除磷99．98％、除氨氮86．69％的良好效果。

4 結論

(1)單獨利用沸石的離子交換與吸附去除污水中氮磷時(shí)的最佳時(shí)間為80min、最佳沸石細度為1 80～200目 (即粒徑0．076～0．088mm)、用量為l2g／100mL模擬廢水，對氨氮的去除率可達85．17％，但磷的去除率僅為26．75％。

(2)在組合工藝條件下，以最佳反應條件控制 MAP法的除磷效果，并以沸石吸附來(lái)提高對氨氮的去除率，可達到同時(shí)高效去除氮磷的目的。

(3)提高M(jìn)AP法反應溶液的pH值和Mg2+的濃度， 既能促進(jìn)MAP結晶反應，保證MAP法的除磷效果，又有 利于后期沸石對氨氮吸附反應的進(jìn)行，可使氮、磷的去 除率分別達到80％和99％以上。來(lái)源：中國環(huán)保產(chǎn)業(yè) 作者: 吳彥霖 周榮敏