NH3-N是高耗氧性物質(zhì)，每毫克NH3-N氧化成硝酸鹽要消耗4157mg的溶解氧，較高的氨氮濃度會直接導致水質(zhì)的黑臭。作為一種無機營養(yǎng)物質(zhì)，NH3-N還是引起海洋、湖泊、河流及其它水體富營養(yǎng)化的重要原因，對魚類及某些水生生物有毒害。桂林某旅游景區(qū)的污水處理系統(tǒng)原設(shè)計水量為180m3/d，投入使用后，由于實際服務(wù)人口增加，導致水量增加。該污水處理工藝未設(shè)污泥處理系統(tǒng)，長期以來，沉淀池的污泥通過排入化糞池達到減量目的。以上原因?qū)е略摴に囋谶\行三年后出水氨氮嚴重超標，污染周圍水體，急需脫除水中的氨氮。對于氨氮廢水的處理，用常規(guī)的生物化學方法去除氨氮效率低、周期長、成本高；用活性炭吸附、磷酸銨鎂沉淀等物理化學方法也因其工藝本身的缺陷、成本高等原因而無法廣泛應(yīng)用。因此，尋求高效、切實可行的去除氨氮的方法十分必要。近年來，國內(nèi)外開展了用沸石去除水中氨氮的研究。沸石是一種廉價的無機非金屬礦物，利用它去除水中的氨氮具有效率高、工藝簡單、易再生、處理成本低等特點。沸石在水處理中的應(yīng)用已得到廣泛關(guān)注。

一、實驗部分

1、材料

沸石：采用α改性沸石，其紅外光譜見圖1。根據(jù)其粒徑大小分為粗(016～110mm)、中(0125～016mm)、細(0118～0125mm)3種。其化學成分及其含量(wB)為SiO267199%，TiO20123%，Al2O313125%，F(xiàn)e2O30167%，MnO0116%，CaO2192%，MgO0189%，K2O1127%，Na2O2165%，P2O501013%。含氨氮廢水：取自某旅游景區(qū)的高濃度氨氮廢水，其水質(zhì)為ρ(CODCr)=200～250mg/L，ρ(NH32N)=140～150mg/L，pH=615～715。

2、試劑與儀器

主要試劑：碘化鉀、氯化汞、四水合酒石酸鉀鈉、氯化鈉、氯化銨、氫氧化鉀、氫氧化鈉、硫酸等，均為市售分析純級化學品。

3、實驗方法

氨氮的分析方法采用納氏試劑比色法(GB7479-87)測定。11312實驗方法靜態(tài)實驗：采用靜態(tài)攪拌吸附實驗法。由改性沸石和某旅游小區(qū)污水構(gòu)成固液兩相系統(tǒng)，設(shè)定攪拌器的轉(zhuǎn)速，改變起始氨氮質(zhì)量濃度、pH值、改性沸石的粒徑、改性沸石的投加量，進行靜態(tài)吸附反應(yīng)，然后測溶液中的剩余氨氮濃度。

動態(tài)實驗：在內(nèi)直徑為19mm的有機玻璃柱中，裝入一定高度的改性沸石，使試水以某一濾速持續(xù)通過沸石柱，連續(xù)測定出水氨氮濃度，觀察沸石的除氨效果。

二、結(jié)果與討論

靜態(tài)實驗

改性沸石粒徑和反應(yīng)時間對氨氮去除效果的影響稱取粗沸石、中沸石和細沸石各20g置于盛有300mL實驗廢水的燒杯中，廢水氨氮濃度為145146mg/L。進行攪拌吸附實驗，分別在015、1、115、2、215h取樣，測氨氮值。從測定結(jié)果(圖2)可以看出，各組改性沸石對NH+4的吸附量均隨反應(yīng)時間延長而增加，但在同一時間段小粒徑改性沸石要比大粒徑改性沸石的吸附效果好，反應(yīng)時間為2h時，粗、中、細改性沸石對氨氮的去除率分別為86125%、89100%、90125%。改性沸石粒徑對除氨氮效果有一定的影響，這是由于在相同的實驗條件下，改性沸石粒徑越小，其表面積相對越大，水中NH+4與其接觸的幾率越大，反應(yīng)出來的交換速率越大。而粒徑大的沸石在吸附NH+4過程中易在沸石的外表面達到動態(tài)吸附平衡，和空隙內(nèi)的動態(tài)離子交換平衡，因此表現(xiàn)出粒徑大的沸石對氨氮的吸附量偏低。盡管粒徑小的沸石吸附量相對較大，但由于其堆積密度大，導致水流通過時產(chǎn)生的水頭損失大，為方便后續(xù)實驗的進行，在以下的實驗中采用粗沸石作為實驗材料。

投加量對改性沸石脫銨效果的影響

稱取粗沸石1、2、3、4、5g，置于盛有300mL、氨氮濃度為145146mg/L小區(qū)污水的燒杯中，進行攪拌吸附實驗，2h后測水中的氨氮值。從圖3可以看出，沸石投加量在1～3g時，沸石的去除率與沸石投加量呈正相關(guān)關(guān)系，即氨氮的去除率隨沸石投加量的增加而增長。沸石投加量達到3g后，氨氮去除率逐漸趨于平緩。實驗結(jié)果表明，只需4g此改性沸石就可使300mL的小區(qū)污水的氨氮達標排放。

原水氨氮濃度對改性沸石脫氨效果的影響取1g粗沸石放入6個盛有200mL、氨氮濃度分別為11112、21131、30189、42156、51142、62116mg/L的稀釋廢水的燒杯中，在常溫下進行攪拌吸附實驗。固定轉(zhuǎn)速為100r/min，攪拌2h后測定水樣中剩余氨氮的濃度分別為0110、0121、3123、12186、24147、29187mg/L。

1g改性沸石對氨氮的吸附量可達到12192mg。沸石對氨氮的吸附量隨原水中氨氮含量的增加而增加。實驗所得數(shù)據(jù)經(jīng)Langmuir和Freundlich等溫線擬合，Langmuir吸附平衡模式對改性沸石吸附氨氮過程的擬合(R2=019997)要優(yōu)于Fre2undlich吸附平衡模式對改性沸石吸附氨氮過程的擬合(R2=018119)。

原水pH值對改性沸石脫氨效果的影響

取7份1g粗沸石，在常溫下進行2h的攪拌實驗。原水的體積為100mL，氨氮濃度為75127mg/L。調(diào)整溶液的pH值分別為3198、5103、6104、7106、7195、8195、9196。靜沉后測水中剩余氨氮濃度。實驗結(jié)果(圖5)表明，當原水pH值在5103～7195時，沸石的吸附量與氨氮的去除率變化不大，吸附量保持在3154～3167mg/L，去除率保持在47100%～48181%。pH=7106時，沸石的吸附量與氨氮的去除率達到最大值。當原水pH值在5103～7195的范圍之外時，沸石的吸附量與氨氮的去除率急劇下降；這是由于在pH值較低時，H+的濃度較高，NH+4必須在沸石交換位置上與H+產(chǎn)生競爭交換，故沸石對NH+4的去除率較低。

當水的pH值接近7時，H+的影響較小，主要表現(xiàn)為沸石對NH+4的交換吸附，因而沸石對NH+4的吸附率達到最高。當pH值繼續(xù)升高，水中OH-增多，NH+4易與OH結(jié)合，形成游離態(tài)的NH3。NH3不帶電，不易與沸石中的Na+發(fā)生離子交換，主要依靠沸石的表面吸附作用，故沸石對NH+4的去除率降低，而且當pH值達到堿性范圍后，NH+4與OH-結(jié)合形成氨氣，溶液中NH+4濃度逐漸變小，從而使水體中NH+4濃度降低。

動態(tài)吸附實驗

柱高對改性沸石去除氨氮的影響在4支內(nèi)徑為19mm的有機玻璃柱中，裝入高度分別為20、40、60、80cm的粗沸石，控制流速為1412cm/min，觀察沸石的除銨效果，去除率降至70%時，停止運行。

從運行結(jié)果可以看出，在其他條件相同時，沸石柱的高度對氨氮去除率有很大的影響。隨著濾柱高度的增加，沸石柱運行時間也增加，兩者呈正線性相關(guān)。當沸石柱較高時，下層的沸石先與污水接觸，進行離子交換吸附，經(jīng)交換吸附后，水中的氨氮濃度下降并從下層移到上層，繼續(xù)進行交換吸附，上層沸石起保護層的作用。當沸石柱較短時，銨離子在沸石柱中還未充分交換，就已流出柱床。所以，沸石層要有一定的高度才能保證氨氮的去除率。

流速對改性沸石除氨氮效果的影響在3支內(nèi)徑為19mm的有機玻璃柱中，裝入高度均為60cm的粗改性沸石，流速分別控制在1412、813、313cm/min，觀察沸石的除銨效果，去除率降至70%時，繪時間-去除率曲線圖。從圖7可以看出，在其他運行條件相同的情況下，降低濾速可以提高沸石柱的運行時間，即沸石一次吸附時間可以延長，但濾速太低，所需設(shè)備龐大、產(chǎn)水量小、不經(jīng)濟；提高濾速則可提高產(chǎn)水量，減小設(shè)備體積，但會導致沸石的一次吸附時間縮短，需頻繁更換沸石或?qū)Ψ惺馕蛟偕?。因此，在實際運行工藝中要根據(jù)具體情況選擇經(jīng)濟流速。

改性沸石解吸實驗分別在3只相同的有機玻璃柱內(nèi)裝入171gα改性沸石，用飽和的NH4Cl溶液以一定的流速通過沸石柱，經(jīng)過充足的時間反應(yīng)后，認為沸石柱內(nèi)的改性沸石為銨飽和沸石，銨吸附量為0。用去離子水將沸石柱反復沖洗，再以3133cm/min的流速將Na+濃度分別為2000，4000，10000mg/L的NaHCO3溶液用蠕動泵以上向流方式注入沸石吸附柱中，連續(xù)記錄出水氨氮值。由圖8可以看出，銨解吸量與解吸液的濃度有關(guān)，解吸液濃度越高，解吸量越大。經(jīng)過10個床層的解吸時，NaHCO3解吸溶液濃度為10000mg/L的飽和沸石柱的銨解吸量達到25%，而解吸液濃度為4000、2000mg/L時，其解吸量僅為15%和9%。這種現(xiàn)象可以解釋為濃度高的解吸液在沸石周圍形成的濃度梯度大，解吸完沸石表面吸附的銨離子后，可以依靠濃度梯度的推動繼續(xù)解吸沸石孔隙中的NH+4。濃度越大，推動力就越大，就可以解吸越深的沸石孔隙中的NH+4，從而解吸量就越大。

三、結(jié)論

(1)α改性沸石對污水中的NH+4處理效果較好，利用該改性沸石處理含高濃度氨氮的小區(qū)污水具有良好的效果。

(2)α改性沸石對銨的吸附效果與沸石粒徑、沸石用量、原水氨氮濃度及原水pH值有關(guān)。在pH值為5～8、吸附時間為2h，粒徑為016～1mm的粗改性沸石對NH+4的吸附量可達12192mg/g，對銨離子具有很高的選擇性和離子交換能力。

(3)通過α改性沸石對銨的吸附等溫線的擬合，改性沸石擬合Langmuir吸附模式的效果良好(R2=019997)，而擬合Freundlich吸附模式的效果卻較差(R2=018119)，可見改性沸石對銨的吸附符合Langmuir吸附等溫模式。

(4)用10000mg/L的NaHCO3溶液解吸銨飽和沸石的速率很快，在10個床層內(nèi)可以使25%的吸咐態(tài)NH+4解吸。NH+4飽和沸石的銨解吸與解吸液的濃度有關(guān)，高濃度解吸液的解吸速率明顯高于低濃度的解吸液。