低浓度含砷含氨氮废水处理技术

Posted 2023-01-15 水处理

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近年来，随着矿山采矿、矿物加工、燃煤、化工、有色金属冶炼等产业的迅猛发展，排放到水体中的重金属和氨氮的含量已严重超标。砷化合物(三价砷化物、五价砷化物等) 的毒性很大，它们能与人体细胞酶系统中的巯基(SH-) 结合，形成稳定的环状络合物，使含巯基的酶丧失活性［1］。氨氮是植物和微生物的主要营养物质，水体中过量的氨氮会导致水体的富营养化，使水体发黑变臭引起水质的恶化［2］。

在工业上常用于处理含砷废水的方法有化学沉淀法［3-5］;对于氨氮废水的处理，高浓度的氨氮废水，工业上一般采用吹脱法［6］和蒸汽汽提法［7］，低浓度的氨氮废水常用的方法为生物法。本实验采用粉煤灰作为吸附剂，寻求合适的改性方法以达到对砷和氨氮的同时去除。

1 实验材料

(1) 模拟废水的配制。本实验用水为实验室配制的两模拟废水，一模拟废水含砷10mg/L，另一模拟废水含氨氮200mg/L，置于冰箱中避光保存。

(2) 改性粉煤灰的制备。本试验粉煤灰取自江西某电厂。用自来水对粉煤灰淘洗4～5 次，沉淀，除去泥沙等机械杂质后，将粉煤灰放置在烘箱中，105 ℃下烘24 h，过200 目筛备用。

(3) 粉煤灰改性方法有: ①NaOH 改性/FeCl3改性: 取50 g粉煤灰，加入4 mol/L 的NaOH 溶液/0. 1 mol/L 的FeCl3溶液250 mL(固液比1∶5) ，80 ℃下水浴恒温振荡4 h，取出后水洗至中性，在电热鼓风干燥箱中105 ℃烘干，制得NaOH/FeCl3改性粉煤灰。②NaOH+FeCl3复合改性: NaOH 改性粉煤灰，再用FeCl3改性方法进行改性，制得NaOH+FeCl3复合改性的粉煤灰。

2 实验结果与分析

(1) 不同改性方法的处理效果。不同改性剂改性的粉煤灰对砷和氨氮的效果如图1。

由图1 中可知: 未改性粉煤灰对砷和氨氮都有一定的吸附作用，但是吸附效果不佳; NaOH 改性粉煤灰对氨氮有很好的吸附效果，但砷的去除效果比未改性的有所降低; FeCl3改性粉煤灰的吸附效果和未改性的相比几乎没变，且直接经FeCl3改性的粉煤灰对砷的去除率不高，而复合改性后的粉煤灰对砷的去除率有很大的提高。分析认为，粉煤灰先经NaOH 改性后，阳离子的交换量有所增加，再经FeCl3改性后，铁离子更容易吸附在经NaOH 改性的粉煤灰表面。复合改性的粉煤灰和未改性的相比，砷和氨氮的去除率都有所提高。因此，后续实验均采用复合改性的粉煤灰。

(2) 不同改性剂浓度的处理效果。复合改性的粉煤灰中，不同浓度的FeCl3对砷和氨氮的去除效果如图2 所示。

由图2 可知: 随着改性剂FeCl3浓度的增加，砷的去除率逐渐增加，当其浓度高于0. 1 mol/L 时，砷的去除率基本达到稳定; 而氨氮的去除率却随FeCl3浓度的增加而降低。分析认为，复合改性的粉煤灰中，铁离子会覆盖在粉煤灰的表面，因铁离子会和砷酸根反应，生成沉淀物被粉煤灰吸附，因此砷的去除率会随铁离子浓度而增加; 而氨根离子和铁离子均为阳离子，复合改性后的粉煤灰中，铁离子很可能占用了铵根的吸附点位，导致铵根离子的去除率有所下降。

(3) 复合改性粉煤灰除砷及氨氮性能研究

①不同pH 的影响。模拟废水中含砷5mg/L，含氨氮100mg/L，复合改性粉煤灰的投加量20 g/L，室温(25 ℃) 下搅拌1 h，考察不同pH 对砷和氨氮的去除效果，结果如图3。

由图3 可知: 随着pH 的增大，砷的去除率整体呈下降趋势，当pH 超过6 时，去除率急剧下降，这可能是因为碱性条件下，砷酸根离子和氢氧根离子与铁离子的结合有竞争作用，导致了砷去除率的下降。在酸性条件下，氨氮的去除率随着pH 的提高而增大，在pH 为中性时达到高峰后又下降，在pH =8 时又开始上升。分析认为，这是由于在酸性环境中，存在大量的H+。根据阳离子交换顺序:

H+＞Al3+＞Ba2+＞Ca2+＞mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+

可知H+ 的交换能力远大于NH4+，与之争夺粉煤灰的活性点位。当pH 为6 时，去除率在45% 左右; 当pH 在碱性范围内变化时，去除率逐渐下降，这是由于弱碱条件下铵根离子会与OH-反应，所以降低了铵根离子的交换量，随着pH 的增加，铵根离子转化为氨气的形式去除，这可能是pH 为9 时，氨氮去除率有所增加的原因。

②复合改性粉煤灰投加量的影响。模拟废水中含砷5mg/L，含氨氮100mg/L，调节废水的pH 为6，室温下搅拌1 h，考察不同的投加量对砷和氨氮的去除效果，结果如图4。

由图4 可知: 投加量在20 g/L 以下，随着投加量的的增加，砷的去除率的提高较明显，在投加量超过20 g/L 后，随着投加量的继续增加，砷的去除率变化较为平缓，变化幅度较小; 氨氮去除率随着投加量的增加而增加，投加量超过40 g/L后去除率还在持续增加，说明砷达到了平衡吸附量时，氨氮还未达到。

③混合体系和单一体系初始浓度的影响。调节废水的pH为6，复合改性粉煤灰的投加量为20 g/L，室温下搅拌1 h，考察单一体系和混合体系下初始浓度对砷和氨氮的去除效果，结果如图5 和图6。

从图5 可知: 当砷的初始浓度低于2mg/L 时，混合体系中氨氮的去除率高于单一体系下的去除率，说明此时少量的砷促进了改性粉煤灰对氨氮的吸附; 当砷的初始浓度较高时，混合体系中氨氮的去除率低于单一体系下的去除率。从图6 可知:在单一体系下砷的去除率比混合体系下的高。

分析认为，由于物理吸附不存在选择性，在吸附点位一定的情况下，混合体系中两种污染物的吸附量会低于单一体系，所以相应的去除率也低于单一体系。

废水中含砷2mg/L，含氨氮50mg/L，经过复合改性粉煤灰的处理后，砷和氨氮的去除率分别达到83. 33% 和82. 48%，出水已达到了《污水综合排放标准》(GB8978-1996) 中砷和氨氮的排放要求。。

3 结论

根据模拟废水中砷和氨氮的去除效果，与其它改性方法相比，NaOH+FeCl3复合改性的粉煤灰对两种污染物都有较好的去除效果，改性剂FeCl3的浓度对砷的去除影响较大。废水中含砷2mg/L，含氨氮50mg/L，复合改性粉煤灰的投加量为20 g/L，废水pH 为6，搅拌1 h，砷和氨氮的去除率分别达到83. 33% 和82. 48%，出水已达到了《污水综合排放标准》(GB8978-1996) 中砷和氨氮的排放要求。