污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)對于氨氮指標(biāo)有嚴(yán)格的排放要求，但是污水處理廠在實際運行過程中仍常面臨出水氨氮超標(biāo)的問題。特別是當(dāng)廢水中的污染物如氨氮、有機(jī)物等濃度較低時，生物脫氮法、吹脫法及沉淀法等去除效果均不理想，所以低濃度氨氮廢水的治理在經(jīng)濟(jì)與處理效果上總是難以兩全，由于離子交換法對于處理低濃度氨氮廢水具有投資省、工藝簡單、操作方便的優(yōu)點，引起了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得一定的研究成果。楊少霞等研究了pH、樹脂投加量、反應(yīng)溫度等對樹脂吸附容量的影響，并進(jìn)行了吸附等溫線、吸附熱力學(xué)的研究。嚴(yán)偉峰等對樹脂材料進(jìn)行了篩選，并采用靜態(tài)吸附法研究了NH+4在陽離子交換樹脂上的吸附行為。但是這些研究主要停留在機(jī)理研究階段，而實際廢水中存在的鈣鎂等陽離子與NH+4對離子交換樹脂吸附氨氮的行為會產(chǎn)生顯著影響，關(guān)于這方面的實驗研究卻很少。因此，本文選用LS-40大孔弱酸型陽離子交換樹脂，通過對比其在模擬氨氮廢水和含有其他陽離子的實際廢水處理效果，以期獲得的數(shù)據(jù)能為離子交換樹脂處理低濃度氨氮廢水的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持。
1、實驗部分
1.1 實驗材料及儀器
實驗中所采用的樹脂為LS-40大孔弱酸型陽離子交換樹脂(陜西藍(lán)深特種樹脂有限公司提供)，其物理性質(zhì)見表1。
實驗用水：實驗用水取自本溪鋼鐵廠生產(chǎn)廢水及氨氮濃度為30mg/L的氯化銨配水，廢水水質(zhì)分析結(jié)果見表2。
氯化銨、納氏試劑、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純。
自制的50mL離子交換樹脂柱，有效徑高比=1∶4。磁力攪拌器、分析天平、哈希紫外-可見分光光度計(DR6000)、蠕動泵、梅特勒便攜式pH計、德國耶拿原子吸收光譜儀(novAA400P)。
1.2 實驗方法
(1)靜態(tài)離子交換吸附。
將離子交換樹脂投入到250mL濃度為30mg/L的氨氮模擬廢水中，在磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌，考察離子交換樹脂投加量、pH、接觸時間等因素對吸附效果的影響，取反應(yīng)后上清液，采用紫外分光光度法測定氨氮濃度。
(2)動態(tài)離子交換吸附。
量取LS-40樹脂50mL，填裝于吸附柱中，分別用模擬廢水和本鋼實際廢水進(jìn)行樹脂穿透實驗，使用蠕動泵控制廢水按照一定流量進(jìn)入樹脂吸附柱，定時檢測不同時間段內(nèi)處理出水氨氮值，以出水中的氨氮濃度為5mg/L為穿透點，繪制穿透曲線圖。
2、結(jié)果與討論
2.1 樹脂靜態(tài)實驗
2.1.1 樹脂用量對吸附效果的影響
取250mL模擬廢水于燒杯中，分別加入2、3、4、5mL預(yù)處理過的樹脂，常溫下置于磁力攪拌器上攪拌，間隔一定時間測定反應(yīng)后氨氮的含量，并計算樹脂用量對氨氮去除效果的影響，所得結(jié)果見圖1。
由圖1可知，離子交換樹脂投加量越大，氨氮去除率越高。當(dāng)樹脂用量達(dá)到4mL時，氨氮去除率達(dá)到90%以上。再繼續(xù)增加樹脂體積，去除率變化不大。從經(jīng)濟(jì)成本考慮，確定實驗所需樹脂用量為4mL。
2.1.2 接觸時間對吸附效果的影響
在250mL模擬廢水中加入LS-40樹脂4mL，20℃下攪拌，分別在1、2、3、5、7、8、10、12、15、20、22、25、30min時取樣，過濾后測定氨氮濃度，所得結(jié)果見圖2。
由圖2可知，氨氮去除率隨接觸時間的延長而增大。當(dāng)接觸時間大于15min后，氨氮去除率基本保持穩(wěn)定。這是因為離子交換樹脂對NH+4的離子交換達(dá)到飽和后會出現(xiàn)離子交換的吸附平衡。因此，后續(xù)靜態(tài)實驗選擇接觸時間為15min。
2.1.3 pH對吸附效果的影響
在250mL模擬廢水中加入預(yù)處理的LS-40樹脂4mL，調(diào)節(jié)溶液pH分別為5、6、7、8、9、10，室溫下攪拌15min，取反應(yīng)后上清液測定氨氮濃度，所得結(jié)果見圖3。
由圖3可知，當(dāng)pH為5.5～8.5時，氨氮去除率變化不大;當(dāng)pH大于9時，氨氮的去除率迅速下降。這是因為當(dāng)pH升高時，可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。綜合考慮氨氮去除率和調(diào)節(jié)pH的氫氧化鈉使用量，確定后續(xù)實驗進(jìn)水pH為6.5。
2.2 樹脂穿透實驗
量取50mLLS-40樹脂，填裝于吸附柱中，使用蠕動泵以3BV/h(BV為倍樹脂體積)流量進(jìn)入吸附柱，每1h取樣一次，當(dāng)出水氨氮達(dá)到穿透濃度為5mg/L時停止進(jìn)水，檢測處理前后廢水pH、COD、鈣、鎂、鉀、鐵、氨氮的含量，具體結(jié)果見表3。
由表3可以看出，檢測處理廢水體積6.8L后的瞬時出水，氨氮的濃度為4.6mg/L，同時檢測出水中的鈣、鎂、鉀、鐵的濃度也降低明顯，說明其他離子也同氨氮一起交換到樹脂上，降低了含氨氮廢水的處理量。
2.2.2 實際廢水與模擬廢水的穿透曲線
用模擬氨氮廢水(氨氮濃度為30mg/L)與本鋼實際廢水(氨氮濃度為31.5mg/L)同時進(jìn)行樹脂穿透實驗，目的在于能夠更好的研究離子交換過程。
實驗均用LS-40樹脂50mL，控制進(jìn)水pH=7，進(jìn)水流速為3BV/h，當(dāng)出水氨氮濃度達(dá)到穿透濃度5mg/L時，停止進(jìn)水，繪制穿透曲線圖，所得結(jié)果見圖4。
由圖4可以看出，同樣的進(jìn)水氨氮濃度，實際廢水的處理量與模擬廢水相比，降低了63%，這是由于水中鈣鎂等陽離子同樣與樹脂進(jìn)行了離子交換，降低了樹脂對于氨氮的處理能力。
2.3 樹脂解吸實驗
動態(tài)實驗處理模擬廢水與本鋼廢水的樹脂，均進(jìn)行了3次解吸再吸附，解吸液均采用150mL4%鹽酸進(jìn)行解析，所得結(jié)果見圖5。
從圖5可以看出，隨著處理模擬廢水的樹脂解析和再吸附次數(shù)的增加，氨氮處理效果變化不大，但是處理本鋼廢水的樹脂用同樣體積的解吸液進(jìn)行解吸，解吸2次后氨氮處理效果降低60%，這是因為用同樣體積的解吸液，無法將其他陽離子完全解吸下來，導(dǎo)致處理效果下降。
3、結(jié)論
(1)使用LS-40陽離子交換樹脂的靜態(tài)實驗，對氨氮濃度為30mg/L的模擬廢水去除的較優(yōu)條件是：pH為6.5～7.5、樹脂投加量為16mL/L、反應(yīng)時間為15min時，氨氮去除率達(dá)90%以上。
(2)采用動態(tài)實驗進(jìn)行實際廢水與模擬廢水的對比，實際廢水中由于鈣鎂等陽離子的影響，同樣的氨氮濃度，處理氨氮能力比模擬廢水的處理水量降低了63%。在解吸過程中，同樣的解吸液體積，可以將氨氮完全解吸下來，但是鈣鎂等離子，無法解吸完全。因此，實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的含低濃度氨氮廢水，使用離子交換樹脂處理局限性較大，影響因素較多，需要經(jīng)過詳細(xì)的實驗驗證后，才能應(yīng)用于實際廢水處理工藝。
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