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    磷酸铵镁法与沸石吸附组合工艺的脱氮除磷实验研究

    访问: 水污染治理 来源:环保信息网 2010-12-29收藏本页 信息来至互联网,仅供参考

    摘要:以高浓度磷模拟废水为处理对象,通过静态实验研究了MAP法(磷酸铵镁法)与沸石吸附 组合工艺的脱除磷效果。以MAP法除磷脱后的出水作为沸石吸附过程的进水,最终出水的、磷去 除率可达86.69%和99.9%,且在MAP反应过程中采取较高的pH值和Mg 浓度有利于后期沸石对、磷的 吸附去除。

    关键词:MAP法;天然沸石;吸附;去除磷;影响因素

    1 引言

    随着工农业生产规模迅速扩大,人口不断增长,人 们生产生活排放出含有大量、磷的生活污水和工业废 水,使水中营养物质富集,引起藻类及其他浮游生物迅 速繁殖、水体溶解氧量下降,鱼类或其他生物大量死 亡、水质恶化。要从根本上保证水质,需采取一定的水 源保护和水处理措施。

    目前含废水的处理方法有很多,但均有不同 的缺点,尤其对于含高浓度氨和磷酸盐的废水,一般 的生化方法处理效果不够理想,而常规的化学沉淀法除 磷又会产生大量难以处理的污泥。20世纪60年代以来, 人们开始研究应用磷酸铵镁(Mgnesium Ammonium Phosphate,MAP)沉淀法去除和回收废水中的磷。 反应生成的磷酸铵镁(MgNH4PO 4·6H2O),是一种 很好的缓释化肥,国外已将其推向化肥市场。但此法仍 有不足之处,袁鹏等 的实验结果表明,当磷的去除率高 达90%以上时,氨的去除率仅为13%,达不到两者同时 高效去除的目的。

    沸石是一种呈骨架状结构的多孔性、含水的铝酸盐 晶体,能够吸附和截留特定形状和大小的分子H ,对氨 的吸附有很好的效果。朱克银和曹亮用天然斜发沸石 处理含氨废水,氨平均去除率为85%;王浩等、 张美兰等也在这方面做了研究。

    在本次试验中,拟利用MAP法与沸石吸附相结合的 组合工艺,达到同时去除磷的效果。但在MAP法与沸 石吸附串联反应的过程中,MAP法需要在pH值为9.5~ 11.0 的碱性条件下进行,并且要投加过量的镁盐才能保 证磷的高效去除,而溶液中较高的pH值和残留的M 必 将对后期的沸石吸附反应造成影响。本文将研究各种影 响因素对该组合工艺的影响,包括:pH值、沸石用量、 粒径、吸附反应时间及镁盐含量等因素。旨在研究该组 合工艺的可行性以及对磷的去除规律,为MAP法和沸 石吸附组合工艺的形式提供理论依据和技术支持。

    2 实验部分

    2.1 模拟废水的配置

    称取0.2636g磷酸二氢钾(KH PO4)和2.0713g氯 化铵(NH C1)溶于1L去离子水中配制模拟废水。该模 拟废水中磷的质量浓度(以P计)为60.Omg/L,氨 的质量浓度(以N计)为542.Omg/L (模拟郑州某污水 厂污泥脱水上清液),与磷的摩尔比为20:1。实验 中所用药剂均为分析纯。

    2.2 实验过程

    2.2. 1 天然斜发沸石吸附

    室温条件下在六连搅拌器上进行分组烧杯试验,转速定为150r/min。本试验全过程使用的均为浙江缙云 的天然斜发沸石。

    配制1L模拟沸水,向6个l50ml的小烧杯中分别加 入100mL的模拟废水。第一组试验:选用180~200目 粒径的沸石,向每个小烧杯中加入6g,分别搅拌20~ 120min,在每个样品静沉2h后抽滤,测定出水中的 磷浓度,得出最佳反应时问。第二组试验:选用120~ 200目(粒径0.076~0.125ram)的沸石,分别将一定 量的沸石加入到5个盛有模拟废水的小烧杯中,搅拌一 定时间后(该时间由最佳反应时间确定),测出水中的 磷浓度,得出最佳反应粒径。第三组实验:选用最佳 粒径的沸石,分别向烧杯中加入6~16g,测出水中的 磷浓度,得出最佳投加量。

    2.2. 2 MAP法与沸石吸附组合工艺去除

    配制1 L模拟废水, 依照M g:P (摩尔比) = 1.5:1,pH=10.0的最佳反应条件 ,向盛有模拟废 水的烧杯中加入0.3272g硫酸镁(MgSO ),用NaOH溶 液将pH值调至10.0。在150r/min转速下搅拌20rain,在 此期间,保证pH值恒定在10.0。反应结束后,静沉, 抽滤,测出水的磷浓度。以MAP法的出水作为沸石 吸附法的进水,在最佳反应时间、最佳粒径、最佳用量 的条件下反应,测出最终出水的磷浓度,考察该组合 工艺的可行性。随后,改变MAP反应后出水的pH值和 MAP反应中镁盐的投加量,研究其对后期沸石吸附的 影响,测量最终出水的磷浓度,得出该组合工艺对 磷的去除规律。

    2.3 分析方法

    水样处理:实验中,测磷浓度前所取水样迅速用 0.45 m的滤膜过滤。

    水样分析:按照中国环境科学出版社出版的第四版 ((水和废水监测分析方法》 进行。氨的测定采用钠 氏试剂分光光度法;正磷酸盐的测定采用钼锑抗分光光 度法。

    3 结果与讨论

    3.1 沸石吸附去除氦磷的实验结果

    3.1.1 反应时间对磷去除效果的影响

    不同的接触时间直接影响天然沸石对磷的去除 效率。从图1可以看出:沸石除磷是一个比较迅速 的过程,在最初反应的20rain内,氨的去除率达到 了61.77%,大部分的氨可以被沸石所吸附交换; 80min时,氨的去除率为70.65%,此后,随着时间的延 长,去除率基本不再变化。沸石对磷的吸附基本上随时间 变化不大,在最初的20min内,磷的去除率达到16.18%, 之后随着反应时间的延长,基本上不再变化。

    图1反应时间对氦磷去除效果的影响

    的去除在最初反应时比较迅速,Booker等 人的静态实验结果指出氨的吸附交换可以在反应开 始的lOmin内完成;Dimova等人的研究表明了类似 的结果:沸石去除氨是一个非常迅速的过程,不到 15min。这种氨去除随接触时间的变化规律基于以 下事实:最初,沸石结构中所有的吸附交换位是空的,溶液的氨浓度梯度高,所以吸附交换的速度非常快; 后来,由于吸附交换位逐渐被占据,溶液中氨浓度缓慢降低,去除率趋于不变。而沸石对磷的吸附能力远不及对氨的吸附能力。在实际操作中,为了提高工作效率,不能无限制的延长反应时间,根据图1可以确定最佳反应时间为80min。

    3.1.2 沸石粒径对磷去除效果的影响

    沸石粒径对磷去除效果的影响见图2。一般来说, 沸石用量越多、粒径越小,总的吸附容量就越大,净化 效果就越好。通过第二组实验,可以看出磷的去除率随着沸石粒径的减小而升高,当沸石粒径小到一定程度 时,去除率增幅不大。

    图2 沸石细度对氦磷去除的影响

    沸石的粒径越小,比表面积越大,单位重量沸石的 可交换活性点就越多,因而吸附去除率也就越高。而在 实际生产中,粒径太小不利于操作,故最佳细度确定为 180~200目。

    3.1.3 沸石用量对磷去除效率的影响

    不同的用量直接影响沸石对磷的吸附。沸石对 磷的去除效率随投加量的变化曲线如图3所示。由图3可 以看出,磷的去除率随着投加量的增加而迅速上升, 因为沸石投加量越大,总的吸附容量就越大,故去除率也就越高。当投加量大于12g/1OOmL模拟废水时,磷的去除率增幅不再明显。工程实际中,考虑到成本, 投加量不能无限增加,故最佳用量确定为12g/100mL模拟废水,同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

    3.2 MAP法与沸石吸附组合工艺去除

    3.2.1 组合工艺的处理效果

    模拟废水的初始磷浓度分别为542.0mg/L、 60.0mg/L,按照最佳反应条件进行MAP反应后,测得 出水中的磷浓度。再将此反应的出水做为沸石吸附反 应的进水,测最终出水的磷浓度,数据如表1所示。 由表1可以看出,MAP法对磷有着很高的去除效率,但仍有大量的氨存在。经过沸石吸附后反应(反应时间80min、沸石细度1 80~200目、用量 12g/100mL模拟废水)后,测得出水中的氨的浓度大幅度降低,MAP法与沸石吸附组合工艺下去除磷的效果可观,基本能够达到同时去除两种营养元素的目的。

    3.2.2 pH值对组合工艺去除磷的影响

    pH值对后期沸石吸附反应是有影响的。取经过 MAP法反应后的水样,将pH值分别调至6.0、8.0、 10.0,投加一定量的沸石(12g/100mL模拟废水)进行 吸附反应,测得最终出水的磷含量如表2所示:

    由表2数据可以看出,pH值对除磷的影响不大,因 为磷主要在前期的MAP法中已经基本去除;但pH值对 氨的去除还是有一定影响的,氨的去除率随着pH值 的升高有所增加。这主要是由于废水中NH 与NH 存在 着以下的化学平衡关系: 当溶液中pH较低时,废水中的H 离子浓度增加, 氨主要以NH 形式存在,有利于吸附作用的发生。

    当溶液中H+浓度较高时,H+的直径为0.24nm,而NH4+为 0.286nm,故H+比NH4+易于进入沸石孔道内,与沸石上的金属阳离子发生交换,导致NH 不能被沸石充分吸附 交换,使得氨去除效果差。

    当溶液中pH值升高时,氨主要以NH3·H2O存在,NH4+减少,虽然沸石吸附作用减弱,但逸出的氨气占主导,剩余的氨浓度降低,故去除率持续升高。 但这样易造成大气的二次污染,且碱的投加会造成处理 成本增加,故溶液的pH也不能过高。

    3.2.3 Mg2+含量对组合工艺去除磷的影响

    通过调整MAP法的镁磷摩尔比来改变水qUMg 的含 量,探讨Mg2+含量对后期沸石吸附的影响。三组平行实 验中分别将镁磷比设为l:1、1.5:1、2:1,得出的实验结果如表3所示:

    由表3可以看出,Mg2+含量越高,磷的去除率略有增加;而对氨的去除率有明显的影响。经过MAP法后, 溶液Mg2+剩余量越多,沸石对氨的吸附去除效果越好。袁鹏等通过实验得出水溶液中的Mg 浓度的提高会 促进MAP结晶反应的进行。

    这是由于磷酸铵镁形成的反应式如下:当水溶液qUMg 含量较高时,有利于反应的进行, 使MAP法的出水中磷浓度降低,减轻后续沸石吸附反应的负荷,最终得到除磷99.98%、除氨86.69%的良好效果。

    4 结论

    (1)单独利用沸石的离子交换与吸附去除污水中磷时的最佳时间为80min、最佳沸石细度为1 80~200目 (即粒径0.076~0.088mm)、用量为l2g/100mL模拟废水,对氨的去除率可达85.17%,但磷的去除率仅为26.75%。

    (2)在组合工艺条件下,以最佳反应条件控制 MAP法的除磷效果,并以沸石吸附来提高对氨的去除率,可达到同时高效去除磷的目的。

    (3)提高MAP法反应溶液的pH值和Mg2+的浓度, 既能促进MAP结晶反应,保证MAP法的除磷效果,又有 利于后期沸石对氨吸附反应的进行,可使、磷的去 除率分别达到80%和99%以上。 作者: 吴彦霖 周荣敏


    标签:污水处理技术 污水处理工艺 污染治理

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