某電廠(chǎng)煙氣脫硫裝置產(chǎn)生高濃度氨氮廢水，其氨氮含量高達3000mg/L以上，在排放前需要對廢水進(jìn)行脫氮處理。常用的脫氮方法有很多，但都各有優(yōu)點(diǎn)和不足，國內處理高濃度氨氮廢水主要選擇的是生化法和氨吹脫法(空氣吹脫和蒸汽汽提)，而國外多采用MAP化學(xué)沉淀法來(lái)去除氨氮。MAP法在處理低濃度氨氮廢水運行費用過(guò)高常被棄用，但在處理高濃度氨氮廢水時(shí)其優(yōu)勢明顯，因操作簡(jiǎn)便、影響因素少、脫氮效果好而被廣泛應用到高濃度氨氮廢水處理中，脫氮除磷后生成的磷酸銨鎂又可用作緩釋性復合肥料、化學(xué)原料，飼料添加劑以及醫藥建材等行業(yè)，具有較為廣闊的應用前景，創(chuàng )造更高經(jīng)濟利用價(jià)值。本文利用此法在實(shí)驗室對高濃度氨氮廢水進(jìn)行實(shí)驗，為工業(yè)生產(chǎn)摸索最佳的反應條件。
1、實(shí)驗部分
1．1 原理
MAP法是一種處理高氨氮廢水的化學(xué)方法，其基本原理是向含有氨氮的廢水中添加磷酸鹽和鎂鹽，反應生成磷酸銨鎂(MgNH4PO4)。
MgNH4PO4在水中的溶解度很低，Ksp=2．5×10－13(25℃)。向高氨氮廢水中投加磷源和鎂源，可以生成MgNH4PO4沉淀，從而達到去除氨氮的目的，見(jiàn)式(1)：
1．2 儀器和主要試劑
1．2．1 儀器
SEVENMULTI數顯酸度計、磁力攪拌器。
1．2．2 試劑的選擇
實(shí)驗選擇MgCl2•6H2O(分子量：203.3)作鎂源，選擇Na2HPO4(分子量：142.0)作磷源。MAP法常采用的鎂源包括MgCl2、MgO、Mg(OH)2，其中以MgCl2的處理效果最好，因為MgCl2在水中的溶解度很大，可以與氨氮、磷源快速反應，具有反應速率快、利用率高的優(yōu)點(diǎn)；MgO、Mg(OH)2處理效果相對較差，因為二者在水中的溶解度較低，不能充分溶解于廢水中，并且沒(méi)有溶解的鎂源又會(huì )被生成的MgNH4PO4沉淀包裹，阻礙了鎂源繼續溶解。
MAP法處理高氨氮廢水常選用的磷源包括Na2HPO4和NaH2PO4、H3PO4。這3種磷源的關(guān)鍵區別在于投加相同物質(zhì)的量的3種磷源到氨氮廢水后，對廢水pH的影響不同。Na2HPO4和NaH2PO4、H3PO4的酸性逐漸增強，所以研究者一般本著(zhù)調節pH所需投加酸堿成本的目的挑選適合的磷源。因實(shí)驗廢水的pH較低，則選擇酸性最低的Na2HPO4作為本次實(shí)驗磷源。
2、結果與討論
2．1 反應時(shí)間
MAP法反應時(shí)間主要取決于MAP晶體的成核速率和成長(cháng)速率，因此，MAP法處理氨氮廢水選擇適宜的攪拌速度和控制適當反應時(shí)間可以有效提升藥劑效率。有資料表明，剩余氨氮濃度隨反應時(shí)間與氨氮去除率成正比，反應時(shí)間越長(cháng)，剩余濃度越低，但較長(cháng)的時(shí)間會(huì )增加處理的費用，實(shí)驗應將時(shí)間控制在合理的范圍內。通過(guò)反復實(shí)驗觀(guān)察，攪拌反應10min，靜置10min，可獲得較穩定的沉淀量。
2．2 pH值
多次實(shí)驗發(fā)現pH對處理高氨氮廢水效果影響很大。當pH＞10時(shí)，廢水中的氨氮會(huì )大部分轉化為NH3，在攪拌條件下直接揮發(fā)到空氣中。較低的pH有利于氨氮的存在，但在實(shí)驗中出現pH過(guò)低的酸性溶液中產(chǎn)生的沉淀顆粒細膩且量較少，造成沉淀時(shí)間較長(cháng)。分析原因是MgNH4PO4的溶解度隨pH降低而增大，較低的pH值會(huì )導致生成的MgNH4PO4溶解在廢水中，無(wú)法形成沉淀。通過(guò)用10%的NaOH溶液調整不同的pH值，發(fā)現pH在9．0～9．5時(shí)，反應沒(méi)有出現NH3的揮發(fā)，同時(shí)形成的MgNH4PO4沉淀顆粒較大，攪拌停止2min后，溶液就有明顯的分層現象。
2．3 反應物配比
反應物投加的摩爾配比n(NH4+)∶n(Mg2+)∶n(PO43－)理論應為1∶1∶1。但是由于實(shí)際反應過(guò)程中常伴隨著(zhù)副反應的發(fā)生，如生成Mg(OH)2和Mg3(PO4)2沉淀；同時(shí)根據同離子效應，增大Mg2+、PO43+配比會(huì )促進(jìn)反應，提升氨氮的去除率和去除速率。根據上述原因及查詢(xún)相關(guān)資料，本實(shí)驗共選用了4種不同的配比進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗廢水體積為100ml，廢水氨氮含量檢測計算為0．224mol/L，實(shí)驗結果見(jiàn)表1。
通過(guò)實(shí)驗對比表明，實(shí)驗2中n(NH4+)∶n(Mg2+)∶n(PO43－)為1∶1．3∶1．2氨氮去除率最高。
2．4 實(shí)驗中存在的問(wèn)題
2．4．1 直接添加固體反應物，會(huì )造成沉淀反應不完全。
Na2HPO4溶解度大，但溶解速度較為緩慢，固體粉末直接添加到水中，中高速攪拌也需3～4min后才能溶解，選用直接加Na2HPO4和MgCl2固體試劑到氨氮廢水中，溶液一直處在渾濁狀態(tài)，無(wú)法判斷生成物的起始時(shí)間，且反應后除了粉末狀沉淀外，還有結塊的晶體存在，判斷結塊的晶體是未能完全溶解的Na2HPO4晶體，通過(guò)分析發(fā)現2種固體反應物同時(shí)添加到水中，MgCl2溶解較快，但Na2HPO4只有部分溶解，沒(méi)有溶解的Na2HPO4會(huì )被生成的MgNH4PO4沉淀包裹，阻礙了繼續溶解。經(jīng)過(guò)多次反復實(shí)驗得出先將2種反應物分別用廢水溶解后再混合，沉淀反應能夠進(jìn)行完全。
2．4．2 檢測數據的時(shí)效性和準確性，是保證氨氮去除率的關(guān)鍵環(huán)節。
本次實(shí)驗預估的的氨氮去除率應達到95%以上，但實(shí)驗最好的一組也只達到了94.4%，通過(guò)數據分析，發(fā)現實(shí)驗中反應物的添加量是通過(guò)幾天前檢測的氨氮數據精確計算的，實(shí)驗后檢測原液的氨氮含量數據與前者不一致，反應物的添加量計算偏差較大，會(huì )影響反應結果。準確獲得廢水中的氨氮值，可提高廢水氨氮去除率。
3、結論
通過(guò)實(shí)驗可以看出，MAP法在電廠(chǎng)廢水處理中具有反應速度快、沉淀穩定完全、脫氮效率高，產(chǎn)物可回收利用，具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益等優(yōu)點(diǎn)。在pH為9．0～9．5的條件下，選用Na2HPO4和MgCl2作為磷源和鎂源，其摩爾比n(NH4+)∶n(Mg2+)∶n(PO43－)為1∶1.3∶1.2進(jìn)行MAP反應，反應20min，廢水氨氮的去除率可達到94%以上。但是，經(jīng)MAP法處理后的廢水中的氨氮殘留濃度仍較高，未達到直接排放要求。建議對于電廠(chǎng)的高濃度氨氮廢水，MAP可作為高氨氮廢水的預處理工藝加以推廣應用。（來(lái)源：中國石油烏魯木齊石化分公司研究院）
