離子交換樹脂處理低濃度氨氮廢水
《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)氨氮指標(biāo)有嚴(yán)格的排放要求，但污水處理廠在實(shí)際運(yùn)行中仍經(jīng)常面臨出水氨氮超標(biāo)的問(wèn)題。特別是當(dāng)廢水中氨氮、有機(jī)物等污染物濃度較低時(shí)，生物脫氮法、吹脫法、沉淀法的去除效果并不理想，因此低濃度氨氮廢水的處理始終難以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和治理效果的兼顧。離子交換法由于投資少、工藝簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得了一定的研究成果。楊少霞等人研究了pH、樹脂用量、反應(yīng)溫度對(duì)樹脂吸附量的影響，還研究了吸附等溫線和吸附熱力學(xué)。嚴(yán)偉峰等人對(duì)樹脂材料進(jìn)行了篩選，用靜態(tài)吸附法研究了陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)NH+4的吸附行為。但這些研究主要停留在機(jī)理研究階段，實(shí)際廢水中的鈣鎂、NH+4等陽(yáng)離子對(duì)離子交換樹脂吸附氨氮的行為有顯著影響，但這方面的實(shí)驗(yàn)研究較少。因此，本文選用LS-40大孔弱酸陽(yáng)離子交換樹脂。通過(guò)比較其在模擬氨氮廢水和實(shí)際含其他陽(yáng)離子廢水中的處理效果，所得數(shù)據(jù)可為離子交換樹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)材料和儀器
實(shí)驗(yàn)所用樹脂為L(zhǎng)S-40大孔弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂(陜西沈蘭特種樹脂有限公司提供)，其物性見(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)廢水和氨氮濃度為30 mg/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、鹽酸和氫氧化鈉都是分析純。
自制50mL離子交換樹脂柱，有效長(zhǎng)徑比=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)Jena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。
將離子交換樹脂放入250mL濃度為30mg/L的氨氮模擬廢水中，在磁力攪拌器上攪拌?？疾炝穗x子交換樹脂用量、pH值、接觸時(shí)間等因素對(duì)吸附效果的影響。取反應(yīng)后的上清液，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50m L LS-40樹脂，裝入吸附柱，分別用模擬廢水和本鋼實(shí)際廢水進(jìn)行樹脂滲透實(shí)驗(yàn)，用蠕動(dòng)泵控制廢水按一定流量進(jìn)入樹脂吸附柱，定期檢測(cè)不同時(shí)間段處理出水的氨氮值，以出水氨氮濃度為5mg/L為穿透點(diǎn)繪制穿透曲線。
2.結(jié)果和討論
2.1樹脂靜態(tài)實(shí)驗(yàn)
2.1.1樹脂用量對(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)處理樹脂，置于磁力攪拌器上室溫?cái)嚢?，每隔一定時(shí)間測(cè)量反應(yīng)后的氨氮含量，計(jì)算樹脂用量對(duì)氨氮去除效果的影響。結(jié)果如圖1所示。
從圖1可以看出，離子交換樹脂用量越大，氨氮去除率越高。當(dāng)樹脂用量達(dá)到4mL時(shí)，氨氮去除率可達(dá)90%以上。如果樹脂量進(jìn)一步增加，去除率變化不大?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)驗(yàn)所需樹脂量確定為4mL。
2.1.2接觸時(shí)間對(duì)吸附效果的影響
將4ml LS-40樹脂加入250mL模擬廢水中，在20℃下攪拌，分別在1、2、3、5、7、8、10、12、15、20、22、25和30分鐘取樣，過(guò)濾后測(cè)量氨氮濃度。結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出，氨氮的去除率隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。當(dāng)接觸時(shí)間大于15min時(shí)，氨氮去除率基本穩(wěn)定。這是因?yàn)殡x子交換樹脂對(duì)NH+4的離子交換達(dá)到飽和時(shí)，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)的接觸時(shí)間為15分鐘。
2 . 1 . 3 pH值對(duì)吸附效果的影響
向250mL模擬廢水中加入4mL預(yù)處理過(guò)的LS-40樹脂，分別調(diào)節(jié)溶液的pH值為5，6，7，8，9，10，室溫下攪拌15min，反應(yīng)后取上清液測(cè)定氨氮濃度。結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出，pH在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)，能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?？紤]到氨氮的去除率和用于調(diào)節(jié)pH的氫氧化鈉的用量，后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水pH確定為6.5。
2.2樹脂滲透試驗(yàn)
2.2.1實(shí)際廢水處理前后的水質(zhì)變化
量取50mLLS-40樹脂，裝入吸附柱，用蠕動(dòng)泵以3BV/h(BV為樹脂體積的兩倍)的流速進(jìn)入吸附柱，每1h取樣一次，當(dāng)出水氨氮達(dá)到突破濃度5mg/L時(shí)停止進(jìn)水，檢測(cè)處理前后廢水中pH、COD、鈣、鎂、鉀、鐵、氨氮的含量。具體結(jié)果見(jiàn)表3。
從表3中可以看出，檢測(cè)6.8L處理后廢水體積后的瞬時(shí)出水氨氮濃度為4.6 mg/L，同時(shí)水中的鈣、鎂、鉀、鐵濃度也明顯降低，說(shuō)明其他離子也隨著氨氮交換到樹脂中，降低了含氨氮廢水的處理能力。
2.2.2實(shí)際廢水和模擬廢水的滲透曲線
為了更好地研究離子交換過(guò)程，采用模擬氨氮廢水(氨氮濃度30mg/L)和本鋼實(shí)際廢水(氨氮濃度31.5mg/L)同時(shí)進(jìn)行樹脂滲透實(shí)驗(yàn)。
所有實(shí)驗(yàn)均采用50m L LS-40樹脂，進(jìn)水pH=7控制為7，進(jìn)水流速為3 BV/h，當(dāng)出水氨氮濃度達(dá)到5mg/L的突破濃度時(shí)，停止進(jìn)水，繪制突破曲線。結(jié)果如圖4所示。
從圖4可以看出，在進(jìn)水氨氮濃度相同的情況下，實(shí)際廢水處理能力比模擬廢水降低了63%。這是因?yàn)樗械拟}、鎂等陽(yáng)離子也與樹脂發(fā)生離子交換，降低了樹脂對(duì)氨氮的處理能力。
2.3樹脂解吸實(shí)驗(yàn)
將用于模擬廢水和本鋼廢水動(dòng)態(tài)處理的樹脂解吸和再吸附三次，并用150mL4%的4%鹽酸分析解吸的溶液。結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出，隨著處理模擬廢水的樹脂解吸和再吸附次數(shù)的增加，氨氮處理效果變化不大，但用相同體積的解吸液解吸處理本鋼廢水的樹脂，解吸兩次后氨氮處理效果降低60%。這是因?yàn)橥w積的解吸液不能完全解吸其他陽(yáng)離子，導(dǎo)致處理效果降低。
3.結(jié)論
(1)在LS-40陽(yáng)離子交換樹脂靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，去除氨氮濃度為30mg/L的模擬廢水的最佳條件為:pH 6.5～7.5，樹脂用量16mL/L，反應(yīng)時(shí)間15min，氨氮去除率達(dá)90%以上。
(2)通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)比實(shí)際廢水和模擬廢水，發(fā)現(xiàn)由于鈣、鎂等陽(yáng)離子的影響，實(shí)際廢水處理氨氮的能力比相同氨氮濃度的模擬廢水低63%。在解吸過(guò)程中，相同體積的解吸液可以完全解吸氨氮，但鈣鎂等離子體不能完全解吸氨氮。因此，用離子交換樹脂處理實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的含低濃度氨氮的廢水具有很大的局限性，影響因素很多，需要詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能應(yīng)用于實(shí)際的廢水處理過(guò)程。
(來(lái)源:沈陽(yáng)化工研究院設(shè)計(jì)工程有限公司)
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