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MAP化学沉淀法氨氮废水处理工艺

 

        氨氮是水相环境中氮的主要存在形态,是引起水体富营养化和污染环境的一种重要污染物质,目前我国几乎所有的受污染水域中,氨氮都是主要污染物之一。由氨氮污染而导致的水体富营养化问题已严重危害农业、渔业及旅游业等诸多行业,也对饮水卫生和食品安全构成了巨大威胁,成为制约我国经济发展的重要因素。

        目前常用的氨氮废水处理技术包括活性炭或沸石吸附法、空气吹脱法、生物脱氮法及化学沉淀法等,但在实际应用过程中,这些处理方法受到种种因素的制约,有其特定的适用范围或局限性。

        化学沉淀法处理氨氮废水则具有工艺简单、处理对象广泛及沉淀物可做肥料等优势,该法已日益受到重视,得到了国内外学者的广泛研究。其原理是往含氨氮废水中加入沉淀剂MgCl2和Na2HPO4,与NH4+反应生成MgNH4PO4·6H2O沉淀(简称MAP),从而实现从废水中去除氨氮污染。

        化学沉淀法已有工业化应用的范例,但沉淀工艺条件,如pH值、沉淀药剂、反应时间等,对氨氮去除效果有很大影响。为此,本文以实验室模拟氨氮废水作为研究对象,系统考察各种操作条件对氨氮去除效果的影响,以期指导实际生产。

1、材料与方法

1.1 试验水质与方法

        用定量NH4Cl(AR)配制体积200mL、NH3-N 浓度一定的模拟废水,并依次投加定量的Na2HPO4(AR)及MgCl2(AR);恒温下磁力搅拌一定时间,并在反应过程中用浓度为5mol/L的NaOH溶液调节反应体系至预定pH值;反应结束后静置一段时间,取上清液测定N、P,以计算氨氮去除率及剩余浓度等。

1.2 分析方法

        氨氮用纳氏试剂光度法测定,PO43--P采用钼锑抗分光光度法测定。

2、结果与讨论

2.1 氨氮初始浓度的影响

        图1表示氨氮初始质量浓度在500~10000 mg/L范围内变化时对氨氮沉淀效果的影响,其中试验固定条件:温度为25℃、pH值为10、沉淀剂添加比例n(Mg)∶n(N)∶n(P)=1∶1∶1、反应时间20min。

氨氮初始浓度的影响

        图1表明,当氨氮初始质量浓度为500mg/L时,氨氮的去除率是89.6%,且随初始浓度的增加,氨氮的去除率逐渐升高。由此可见以MAP化学沉淀法处理氨氮废水时对其初始浓度有广泛的适用性,而且适合于处理高氨氮浓度废水。同时也可看出,当氨氮初始质量浓度是2000mg/L时,剩余氨氮的质量浓度为159.5 mg/L,初始质量浓度为 10000 mg/L时,剩余氨氮的质量浓度则更高,达656.6 mg/L,这显然不能达到排放标准。

        因此认 为,考虑到生物法无法适应高浓度氨氮废水的缺点,可以利用MAP化学沉淀法与生物法结合,即以沉淀法作为生物法的预处理,将高浓度的氨氮降到适宜于生物处理的浓度,再采用生物法处理。

2.2 pH值的影响

        图2表示pH值的影响,试验固定条件:氨氮 初始质量浓度1000 mg/L、温度25℃、沉淀剂添加比例n(Mg)∶n(N)∶n(P)=1∶1∶1、反应时间20 min。

pH值的影响

        图2表明,当反应体系的pH值在9~11时,氨氮的去除率超过90%,且相差不大,即此pH值范围内有利于MgNH4PO4沉淀的生成。理论上来说,当pH<8时,磷以PO43-形式存在的比例很小,主要以HPO42-的形式存在,从而不利于 MgNH4PO4的生成;当在强碱性溶液中,磷则易形 成更难溶的Mg3(PO4)2沉淀,如pH>11时,还会形成Mg(OH)2沉淀。从试验结果来看,控制pH 值为10时,氨氮的去除率最高,达91.4%,且剩余磷浓度最小,因此控制溶液体系pH值为10较为适宜。

2.3 反应时间的影响

反应时间的影响

        图3表示反应时间的影响,试验固定条件:氨 氮的初始质量浓度为1000 mg/L、温度为25℃、 pH值为10、沉淀剂添加比例n(Mg)∶n(N)∶n(P)=1∶1∶1。 图3表明,当反应时间为10 min时,氨氮去除率已达90.8%;将反应时间由10 min延长至60 min,对氨氮的去除率几乎没有影响,均为90%左 右。因此,在反应进行10 min后,沉淀反应已基本完成,为保证沉淀反应充分完成,反应时间以20 min较为适宜。

2.4 温度的影响

        图4表示反应体系温度的影响,试验固定条 件:氨氮的初始质量浓度为1000 mg/L、n(Mg)∶ n(N)∶n(P)=1∶1∶1、pH值为10、反应时间为20 min。

反应温度的影响

        图4结果表明,当反应温度达35℃,若再升高温度,则氨氮去除率逐渐下降,如65℃时,氨氮去除率减小到79.3%。由此可见较高温度下进行氨氮沉淀反应并不利于氨氮的去除,其原因是温度不但影响反应体系的电离平衡,而且会使生成的沉淀物有更高的溶解度,从而影响对氨氮的去除。因此,沉淀反应在室温(25~35℃)下进行较为适宜。

2.5 沉淀剂投加比例的影响

        图5表示沉淀剂投加比例的影响,试验固定条件:氨氮初始质量浓度1000 mg/L、温度25℃、 pH值为10、反应时间为20 min。

n(Mg):n(N):n(P)的影响

        图5表明,当控制氨氮初始质量浓度为1000mg/L不变,而同时增大Mg2+和PO43-浓度时,氨氮去除率明显增大,如n(Mg)∶n(N)∶n(P)为1.1∶1∶1.1及1.2∶1∶1.2时,氨氮的去除率分别为95.8%和98.7%,而剩余氨氮质量浓度则是42mg/L和13mg/L。当控制PO43-和NH4+初始浓度不变,而仅增加镁盐的投加比例时,则氨氮去除率降低, 但剩余磷浓度也降低,其原因是过量的Mg2+与 NH4+争夺PO43-形成竞争反应生成Mg3(PO4)2沉淀, 致使氨氮去除率降低。当控制Mg2+和NH4+的初始浓度不变,仅增加磷酸盐的投加比例时,则氨氮去 除率增大,而剩余磷浓度也显著增大。

        由此说明,往反应体系中加入过量的沉淀药剂(镁盐和磷盐)虽使氨氮的去除更彻底,但加入过量的沉淀药剂不仅有可能形成Mg(PO4)2沉淀,从而致使沉淀物成分复杂,不利于回收利用,并可能造成由沉淀药剂带来的二次污染。从图5试验结果来看,控制沉淀剂投加比例为n(Mg)∶n(N)∶n(P)= 1.2∶1∶1.2较为适宜。

2.6 镁盐种类的影响

        图6表示镁盐种类的影响,试验固定条件:氨氮初始质量浓度1000 mg/L、温度25℃、pH值为 10、n(Mg)∶n(N)∶n(P)=1∶1∶1,反应时间为20 min。

不同镁盐作沉淀剂的比较

        图6结果表明,使用MgCl2作沉淀剂时,氨氮去除效果好,而使用MgO时,则由于在碱性环境中易于形成Mg(OH)2沉淀而妨碍MgNH4PO4的形成,因此氨氮去除效果较差;当增加沉淀剂MgO用量,使投加比例达n(Mg)∶n(N)∶n(P)=2∶1∶1时,氨氮的剩余质量浓度可降至106 mg/L,但磷剩余质量浓度却高达650.6 mg/L,估计是由于过量 的MgO除形成Mg(OH)2沉淀外,也参与了生成 MAP的沉淀反应。

试验同时发现,当用MgCl2作为沉淀剂时,在反应结束后,pH值减小至9.8;而用MgO作为沉淀剂时,在反应结束后,pH值可达10.4。由于使用MgO作反应沉淀剂可以节省调节pH值的碱用量,而且MgO相对比MgCl2便宜,因此以MgO作沉淀剂也不失为一种好的选择。

3、结论

        (1)根据一系列单因素的试验结果得出了最优 工艺条件:反应温度为25~35℃,pH值为10,镁、氮、磷的量比为1.2∶1∶11.2。在此条件下处理初始质量浓度1000 mg/L的氨氮废水,反应20 min,氨氮质量浓度可降至10.4 mg/L,去除率达98.7 %,剩余磷的质量浓度为91.9 mg/L。
        (2)MAP化学沉淀法在处理高浓度的氨氮废水时有很好的适应性,具有反应速度快、氨氮沉淀完全及操作简单等优势。
        (3)MAP化学沉淀法的最大不足之处是沉淀药剂(磷盐及镁盐)和调节pH值的碱价格较贵,使得实际应用时处理成本高而制约其应用,下一步工作的重点应是解决沉淀剂的循环使用问题,以降低处理成本。

 


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