化学沉淀法除去废水中的氨氮及其反应的探讨钟理

第22卷第6期重庆环境科学2000年12月化学沉淀法除去废水中的氨氮及其反应的探讨钟理`,詹怀宇`,D.O.HillZ(1.华南理工大学化工学院,广州510641;2.Dept.()fChem.Eng.,Miss,StateUniv.,MS39762,USA)摘要:研究了化学沉淀法处理含氨氮废水,实验研究了不同操作条件,如溶液pH值、沉淀剂种类和配比、废水中的初始氨浓度等对氨的处理效率的影响,在适宜的操作条件下,可除去废水中的氨高达99%,处理后残液中氨浓度小于lmgl/矛(IPpm),探讨了化学沉淀反应过程的机理。关健词:废水处理,化学沉淀,氨氮废水中圈分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1001一2141(2000)06一0054一04NH3一NRemovalinWastewaterbyChemicalPreeiPitationandExPlorationofReaction.ZhongLi,,ZhanHuaiyu’,D.0.HillZ(1.Inst.ofChem.Eng.,SouthChinaUniversityofTeehnology,Guangzhou,5106412.DePt.ofChenl.Eng.,MississiPPiStateUniversity,MS39762,USA)Abstract:NH3一NremovalinwastewaterbyehemiealPreeiPitationwasstudied.TheeffeetofdifferentoPerationaleonditionssuehasPHvaluesinsolutions,formulasofpreeipitants,andinitialmolareoneentrationofNH3inwastewaterontheNH3removaleffieieneywasinvestigatedexperimentally.Undertheoptimaleonditions,about99%ofNH3inwastewatereanberemovedandtheeoneentrationofNH3inwaterthroughtreatment15lessthan1mg/L(lppm).ThereaetionmeehanismofchemiealPreeiPitationProeesswasexPlored.Keywords:Wastewatertreatment、ChemiealPreeiPitation,NH3一Nwastewater.目前含氨氮废水的处理技术有〔卜3口:生物合成硝化法、离子交换法、空气蒸汽气提法、氯化及吸附等,但均有不足之处,如气提法必须远行后处理,否则会产生二次污染;吸附受平衡过程控制,不可能除去废水中少量的氨氮,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;生物合成硝化法是现阶段较为经济有效的方法,工艺较为成熟,并已进人工业应用领域,但该法的缺点是温度及废水中的某些组份较易干扰过程,且反应器体积较大。上述这些过程的共同不足之处是处理后的氨无法回收利用。从本世纪60年代就开始研究化学沉淀法处理含氨氮废水川,该法是向含氨氮废水中加人含Mg,+和PO;3一离子的药剂,与废水中的NH4+反应生成一种复合盐MgNH4PO4,从而将氨氮从废水中除去。该过程的优点是在除去废水中的氨氮同时,得到的MgNH4PO4是许多农作物所需的一种复合肥料,达到变废为宝目的。收稿日期:2000一04一05作者简介:钟理(1957一),男,湖北人,博士,教授,1982年毕业于华南理工大学化学系,现主要从事教学研究工作。广东省自然科学基金资助课题(99064)1实验过程和方法1.1实验流程化学沉淀法处理含氨氮废水的流程如图1。废水通人搅拌釜反应器前,首先测定废水中氨氮的浓度,然后分别加人适宜配比的含MgZ+和PO43一沉淀剂,调节溶液pH,同时搅拌若干分钟,停止搅拌,靠重力沉降将固体与清液分离,测量残液氨氮浓度和固体沉淀物组成。初步的实验表明,影响氨氮废水处理效率较大的因素是溶液pH,药剂种类及配比(MgZ+和PO、3一初始摩尔比),废水中氨的初始浓度或MgZ+:P043一,NH`+初始摩尔比,沉淀反应很快,约smin左右就观察到大量沉淀物产生,增加反应时间对氨的除去效率没有多大影响。1.2实验药剂制备和废水来源本实验主要研究溶液pH,药剂种类如Mgo+H3P04或MgHPO、,药剂的配比以及初始氨浓度对除6期钟理等:化学沉淀法除去废水中的氮氮及其反应的探讨去效率的影响。实验前先制备沉淀剂,称取一定量的MgO固体粉末,放入蒸馏水烧瓶,然后一边搅拌一边慢慢加入H3P04,生成一种带颗粒状实际上是不完全溶于水的乳状液,组成包括有MgHPO、、Mg(HZPO;)2、Mg。(PO;)2及它们带结晶水的混合物。MgHPO4沉淀剂的制备是将称好的MgHP04固体粉末放人蒸馏水烧瓶并搅拌,得到不完全溶于水的乳状液。含氨废水主要有两种方法获取,一是实验室制备模拟废水,称一定量的NH4CI固体粉末溶于蒸馏水中;二是取自家禽屠宰场的氨污水。H3PO;为0.lmol/IJ、不同初始MgO浓度时Eff与pH的关系。结果显示与图2一致,当H3PO、初始浓度一定,较适宜的H3P04和Mgo摩尔比大于LS。!.0广一~~一一一,一,~叫产-尸-00七UJo份协.测测氮氮氮一一一’l””6万75sj9510.511.5125pH图1化学沉淀法处理废水中的氨氮流程上NH3]=0.0058mol/L,[H3pO;〕一o·lmol/IJ△:〔MgO]一0.Zmol/L;:〔MgO]=0.15mol/L一:〔MgO]=0.lmol/l,;·:[Mg()]=0.osmol/L图3H3P(),浓度一定,不同Mg()浓度对Eff的影响2.2药剂MgHPO、影响图4给出废水中初始氨浓度为0.Oo58mol/L,四种不同初始MgHPO;沉淀剂浓度时,fEf随pH的变化关系。随着MgHP()4沉淀剂浓度增加,Eff也增加,但是增加的速率不显著,与图2比较,前两种药剂更优,而且前两种药剂Mgo还可起到一定的中和作用,从而减少碱的用量。八“8LCù2实验结果2.1药剂MgO与H3PO令配比影响’图2示出废水中初级氨浓度为0.oo58molI/J(looppm),MgO浓度为0.lmol/L及不同的初始H3PO4浓度时,氨的除去效率Eff(Eff一〔初始氨浓度一沉淀反应过滤后清液中氨的浓度)〕/初始氨浓度)与溶液pH的关系。由图可见,随着H3PO4与Mgo浓度比增加,Eff也增加,在本实验条件下,当H3PO;与MgO摩尔比大于1.5,1时,Eff变化不显著,尽管总的趋势是增加的。户“一`Z声口尹,占一气二井`一“`二凡64o七山。0一吕01OLsese`一一一一一一一一一~___.,…_..…,657.58万9510.511.5IZjPH6j758,59万10511.5125pH〔NH3]=0.oossmol/L:〔MgHp(〕`]=0.o25mol/L;一:[MgHP()`〕=0.osmol/zJ:〔MgHP();皿一0.lmol/I沙;△:「MgHp()、〕一0.15mol/L图4不同MgHP()。浓度对Eff的影响「NH3]=0.oo58mol/L,[MgO]一0.lmol/L·:〔H3P();]一0.lmol/IJ;。:〔H3P()`]=0.15mol八J一:仁H3P();口=0.Zmol/IJ;△:[H3PO、]=0.3mol/IJ图2Mg()浓度一定,不同H3PO、浓度对Eff的影响图3是废水中初始氨浓度为0.oO58mol/L、2.3废水中初始氨浓度影响图5是MgO为0.lmol/IJ,Mg()与H3PO;初始摩尔比为1:2,废水中不同氨浓度时,fEf与pH的变化关系。从图可见,Eff随着初始氨的浓度减少而增65`重厌环境科学22卷大,但值得指出的是,虽然初始氨浓度0.025mol/L(42oppm)的Eff小于氨浓度为0.O025mol/L(42ppm)和0.oo58mol/L的Eft,但并不表示氨的绝对除去量前者小于后者。MgO+HZO千==已Mg(OH)2Mg(OH)2一MgZ++ZOH-(sa)一,二奋二厂.`~’~r人、众飞戈00七UJoO`ee一一~~一一一-一~一一.一口一一一一`-.一~」6.57j8.59.510.511.5125pH〔MgO」=0.lmol/L,〔H3PO4]=0.Zmol/L:[NH3]=0.o25mol八J;·:[NH3]~0.o058mol/L一:[NH3]=0.0025mol/L图5不同初始NH3浓度对Eff的影响上述结果表明,溶液的pH是影响Eft最重要的因素,无论采用何种药剂和配比,当溶液的pH7,反应前后废水的氨浓度变化不大,实验中没有观察到沉淀物产生。而当pH1l(强碱性),尤其是pH超过12、时,废水中的氨几乎无法用沉淀法除去,适宜pH范围9~11。其它一些实验表明,当初始氨浓度和药剂配比适宜,废水中的氨可除去近99写,如初始氨浓度为0·OO25mol/L(42ppm),经处理后废水中氨浓度可降到0.smg/L(0.sppm)以下。K印2=1.8X10一`’(sb)NH3+HZO二==已NH4++OH-Kb=1.75X10一5(6)MgHPO4+NH4++OH-一MgNH4PO、+HZO(7)Mg(HZPO4)2+NH4++OH-一MgNH4PO4+HZO(8)由于H3P04是一种弱酸,它分三步离解成H+:H3PO、;-=之H一+HZPO;-PKa、=2.2(9)HZPO、-一H++HPO42-PKaZ=7.2(10)HPO4’一井一七H十+PO43-pKa3=12.3(11)将H3PO4三个离解常数pK。1、pKa:、pK。3与浓度条件CT=〔H3PO、〕+「HZPO4一]+「HPO4’一〕+〔PO;3一〕组合在半对数坐标上作出浓度CT和pH的关系如图6。由图6可知,H3PO;相对于每个H+有三个系统点(当量点),分别是pK。1、pKoZ和pKo3,这些点也可近似看作磷酸盐的系统点。一2厂下而二PH二72pH:’!23!3反应过程的探讨废水中氨氮的除去效率Eft,即沉淀反应过程主要受溶液的pH,药剂的种类及配比,废水中初始氨氮浓度等因素影响,主要的反应为:MgNH4PO;(s)一Mg,++NH4++PO43-K,pl=2.5X10一`3(1)若[MgZ+〕[NH4+][PO;3一〕大于溶度积Ksp,,反应向左移动,废水中的氨可通过沉淀法除去,反之,则不然。此外,其它一些反应也存在,主要有如下:在酸性和中性时MgO+H3PO4一Mg(HZPO、)2+HZO(2)在中性和碱性时MgOH十H3PO4一MgHP()4+HZO(3)在强碱性时MgO+H3PO、一Mg3(PO4)2+HZO(4)H3OP4--68-l2-10ǎ弓。互.一卜O耳02468101214CT=0.00lmol/L,T一25C图6磷酸离解时CT与pH的关系根据图6,H3PO4在pH一9一n时主要离解为H++HPO42一,即MgO+H3PO4主要得到MgHPO4,如反应(3),反应(2)生成的Mg(HZPO4)2在该pH范围也会转变为MgHPO4,因此,在碱性条件下,氨去除反应由方程(2)、(3)、(5)~(8)及(10)控制,这是最有利氨除去的pH范围。在酸性时,MgO+H3P04主要产物是Mg(HZPO4)2如反应(2),又根据反应(9)一(11),(下转第71页)6期董海山等:控制饮用水消毒副产物的研究状况与评述::{);:志,1996,13(6)潘金芳,张大年等.腐殖酸氯化过程中氯仿生成的基础研究.环境科学,1996,17(6):32~36黄军礼.鲍治宇等.引用水氯化中氯仿形成的动力学模式.中国给水排水,1996,12(5):14~18Harrington.G.W.etal.,J.AWWA,1992,84(11):78一87吴锦超,林革.