MAP沉淀法预处理高浓度氨氮废水的实验研究.doc

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1、MAP沉淀法预处理高浓度氨氮废水的实验研究收稿日期 2009-12-20 0 引言 近年来,随着工农业生产的发展,氨氮污染来源越来越广泛,排放量也越来越大,除了生活污水和动物排泄物,化肥、焦化、石化、制药、食品、垃圾填埋场等均会产生大量高浓度含氨废水。大量氨氮废水排入水体不仅会引起水体富营养化,造成水体黑臭,还会对人群及生物产生毒害作用。 目前含氨氮废水的处理技术有气提法、离子交换法、生物脱氮法、吹脱法、折点氯化法等。吹脱法存在吹脱气体的二次污染,吹脱塔内经常结垢,低温时氨氮去除效率低等缺点1;离子交换法树脂用量较大,再生频繁,废水需预处理除去悬浮物;传统硝化反硝化脱氮法占地面积较大,脱氮效率

2、不高,而且由于基质NH4+ 等对于生物(尤其硝酸细菌)有较强的抑制效应,因而针对氨浓度较高的废水处理效果不够理想2。鸟粪石结晶沉淀法利用NH4+ 、Mg2+ 和PO43-三者之间反应生成难溶的复盐MgNH4PO4•6H2O(MAP),然后通过重力沉淀,将MAP从废水中分离,从而实现高浓度氨氮废水的有效处理。产物鸟粪石是一种良好的缓释肥,实现了氨氮的回收利用。以模拟高浓度氨氮废水为研究对象,对各种影响脱氮效果的因素进行了研究,探讨了经济、高效的处理高浓度氨氮废水的方法。 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 主要仪器:磁力搅拌器、pHS-3C数字酸度计、定氮蒸馏烧瓶。 主要试剂:MgCl

3、2•6H2O、Na2HPO4•12H2O、NH4C1、NaOH、盐酸,均为分析纯。 1.2 实验方法 将盛有200 mL污水水样的烧杯放置磁力搅拌器上,调节溶液的pH值,向水样中投加一定量的Na2HPO4•12H2O和MgCl2•6H2O,反应一定时间后,静置,测定上清液的氨氮浓度并计算去除率。 1.3 分析方法 氨氮的测定采用蒸馏滴定法,pH值测定采用玻璃电极法。 2 结果与讨论 2.1 pH值对氨氮去除率的影响 在原水氨氮浓度为5 000 mg/L,温度为室温,取反应物摩尔比n(Mg2+)n(NH4+)n(PO43-)=111,调整原水pH值

4、分别为3.00、4.05、5.02、5.99、7.08、8.00、9.04、9.90、11.03,搅拌反应30 min,静置,测定上清液氨氮浓度。实验结果见表1。 表1 pH值对氨氮去除率的影响 pH(反应前)pH(反应后)NH4-N(mg/L)去除率(%)沉淀时间固体量(g) 3.002.191435.971.3无沉淀无 4.054.241344.173.1无沉淀无 5.025.201370.372.6无沉淀无 5.995.80688.586.2173.0610 7.087.01209.895.8214.1765 8.007.94118.097.6175.3278 9.048.95517.9

5、89.6145.1366 9.909.78347.893.0185.2418 11.0310.78190.196.2205.3165 由表1可知,当pH值10时,反应器四周有明显的氨气味,说明反应生成了氨气。在弱酸性条件下,Mg3(PO4)2、MgHPO4是沉淀的主要成分;在强碱性条件,Mg(OH)2、Mg3(PO4)2是沉淀的主要成分;在pH78之间,MgNH4PO4•6H2O是沉淀主要成分3。综合pH对磷酸铵镁沉淀生成的影响,溶液的pH值控制在78之间最有利于氨氮的去除。 2.2 沉淀剂投配比对氨氮去除率的影响 2.2.1 Mg2+投加量的影响 在原水氨氮浓度为5 000 mg

6、/L,温度为室温,取反应物摩尔比n(NH4+)n(PO43-)=11,改变n(Mg2+)n(NH4+),调整原水pH值为7.25左右,搅拌反应30 min,静置30 min,测定上清液氨氮浓度。试验结果见表2。 表2 Mg2+投加量对氨氮去除率的影响 n(Mg2+)n(NH4+)pH(反应前)pH(反应后)NH4-N(mg/L)去除率(%)固体量(g) 0.6017.297.23544.289.13.6235 0.8017.287.21393.492.14.4882 1.0017.257.29159.796.85.2321 1.2017.287.17111.597.85.3888 1.2517

7、.277.25196.796.25.3433 1.3017.267.25131.197.45.3785 1.3517.307.20118.097.65.4042 1.4017.246.9465.698.75.3656 1.4517.247.18144.297.15.3627 翟 建:MAP沉淀法预处理高浓度氨氮废水的实验研究 十堰职业技术学院学报2010年第1期第23卷第1期 由表2可见,随着Mg2+投加量的增大,氨氮去除率也随之提高,但提高不明显。当n(Mg2+)n(NH4+)从0.61提高到1.21时,氨氮去除率从89.1%提高到97.8%。但当n(Mg2+)n(NH4+)1.21时,氨氮

8、去除率基本持平甚至有略微的下降。在实际氨氮废水处理过程中,综合考虑氨氮去除率与成本问题选择n(Mg2+)n(NH4+)的最佳比值为1.21 。 2.2.2 PO43-投加量的影响 在原水氨氮浓度为5 000 mg/L,温度为室温,取反应物摩尔比n(Mg2+)n(NH4+)=1.21,改变n(PO43-)n(NH4+),调整原水pH值为7.25左右,搅拌反应30 min,静置30 min,测定上清液氨氮浓度。试验结果见表3。 表3 PO43-投加量对氨氮去除率的影响 n(PO43-)n(NH4+)pH(反应前)pH(反应后)NH4-N(mg/L)去除率(%)固体量(g) 0.617.307.29

9、642.687.12.6641 0.717.277.10570.488.63.5670 0.817.297.15340.993.23.1524 0.917.297.11268.894.63.4703 1.017.277.25229.595.44.4241 1.117.287.24144.297.14.1276 1.217.307.30131.197.44.6923 1.317.267.12124.697.54.8604 1.417.297.3078.798.44.9477 1.517.257.1765.698.74.8936 1.617.287.2432.899.34.9088 由表3可知,当

10、n(PO43-)n(NH4+)从0.6上升到1.1时,氨氮去除率从87.1%上升到97.1%,由此可见,当磷不足,增加磷投加量氨氮去除率升高明显;当n(PO43-)n(NH4+)1.11时,氨氮去除率增加缓慢;当n(PO43-)n(NH4+)提高到1.61时,氨氮去除率可达到99.3%,投加过量PO43-,可以明显提高氨氮的去除率。但在实际工程中如果向水中投加过量的磷酸盐,会导致出水中TP超标。此外,在鸟粪石结晶沉淀法处理氨氮的费用中,磷酸盐的费用通常占总药剂费用的80%以上3。因此在实际氨氮废水处理过程中,综合考虑氨氮去除率与投加药剂的成本,选择n(PO43-)n(NH4+)的最佳比值为1.

11、11 。 2.3 反应时间对氨氮去除率的影响 在原水氨氮浓度为5 000 mg/L,温度为室温,取反应物摩尔比n(Mg2+)n(NH4+)n(PO43-)=1.211.1,调整原水pH值为7.25左右,改变反应时间,静置30 min,测定上清液氨氮浓度。实验结果见表4。 表4 反应时间对氨氮去除率的影响 反应时间(min)pH(反应前)pH(反应后)NH4-N(mg/L)去除率(%)固体量(g) 57.287.22196.796.14.5555 107.247.11144.297.14.6585 157.256.92327.893.44.0316 207.277.2391.898.14.546

12、1 257.297.2565.698.74.6410 307.297.2572.198.64.6016 357.267.0265.698.74.5701 407.297.2665.698.74.6160 457.307.1752.598.95.0157 507.277.2172.198.64.8161 607.307.2172.198.64.8321 由表4可知,反应时间由5 min增加到20 min,氨氮去除率由96.1%增加到98.1%。从20 min延长到60 min时,氨氮去除率从98.1%提高到98.6%,氨氮去除率趋于平稳。在反应初期,氨氮浓度高,正向反应推动力大,反应速度快。但随

13、着反应时间延长,所需的动力消耗增加,处理费用升高。综合考虑氨氮去除率与动力消耗的成本,确定最佳反应时间为20 min。 2.4 氨氮初始浓度对氨氮去除率的影响 在温度为室温,取反应物摩尔比n(Mg2+)n(NH4+)n(PO43-)=1.211.1,调整原水pH值为7.25左右,反应20 min,静置30 min,改变氨氮浓度分别为100、200、500、700、1000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、6 000、7 000mg/L,测定上清液氨氮浓度。实验结果见表5。 表5 氨氮初始浓度对氨氮去除率的影响 NH4+浓度pH(反

14、应前)pH(反应后)NH4-N(mg/L)去除率(%)固体量(g) 1007.267.2525.6074.40 2007.297.1942.6278.690.0134 5007.297.13157.3668.530.2748 7007.297.2339.3494.380.4887 10007.277.21112.9888.71.0526 15007.297.2275.396.21.5324 20007.277.23106.794.71.4650 25007.307.2669.097.23.2513 30007.307.2743.999.13.8445 35007.257.2162.898.24

15、.4276 40007.297.25969.098.24.9067 45007.307.2375.398.35.3370 50007.277.2391.898.14.5461 60007.287.2175.398.56.0124 70007.227.21131.898.16.3425 由表5可知,当氨氮浓度为从100 mg/L上升到500 mg/L时,氨氮去除率均低于80%;当氨氮浓度在7002 500 mg/L之间时,氨氮的去除率达到甚至超过95%;当氨氮浓度大于3 000 mg/L时,氨氮的去除率趋于平稳,均在98%以上。由此可以说明,对于高浓度氨氮废水,鸟粪石结晶法具有良好的处理效果;对于低浓度氨氮废水,生物脱氮法是一种经济高效的处理工艺。 3 结论 采用MAP沉淀法作为高浓度氨氮废水的预处理方法,以MgCl2•6H2O、Na2HPO4•12H2O为沉淀剂,在室温条件下,n(Mg2+)n(NH4+)n(PO43-)的最佳比值取1.211.1,最佳pH值为7.25左右,最佳反应时间取20 min,静置30 min时,对于氨氮浓度大于3 000 mg/L的废水,氨氮去除率平均可以达到98%以上。 鸟粪石结晶法适宜处理高浓度氨氮废水,生物法适宜处理低浓度氨氮废水。