离子交换树脂处理低浓度氨氮废水

《污水综合排放标准》对氨氮指标有严格的排放要求，但污水处理厂在实际运行中仍经常面临出水氨氮超标的问题。特别是当废水中氨氮、有机物等污染物浓度较低时，生物脱氮法、吹脱法、沉淀法的去除效果并不理想，因此低浓度氨氮废水的处理始终难以达到经济和治理效果的兼顾。离子交换法由于投资少、工艺简单、操作方便等优点，引起了国内外相关学者的广泛关注，并取得了一定的研究成果。杨少霞等人研究了pH、树脂用量、反应温度对树脂吸附量的影响，还研究了吸附等温线和吸附热力学。严伟峰等人对树脂材料进行了筛选，用静态吸附法研究了阳离子交换树脂对NH+4的吸附行为。但这些研究主要停留在机理研究阶段，实际废水中的钙镁、NH+4等阳离子对离子交换树脂吸附氨氮的行为有显著影响，但这方面的实验研究较少。因此，本文选用LS-40大孔弱酸阳离子交换树脂。通过比较其在模拟氨氮废水和实际含其他阳离子废水中的处理效果，所得数据可为离子交换树脂处理低浓度氨氮废水的实际应用提供技术支持。

1.实验部分

1.1实验材料和仪器

实验所用树脂为LS-40大孔弱酸性阳离子交换树脂(陕西沈兰特种树脂有限公司提供)，其物性见表1。

实验用水:实验用水取自本溪钢铁厂生产废水和氨氮浓度为30 mg/L的氯化铵配水，废水水质分析结果见表2。

氯化铵、纳氏试剂、盐酸和氢氧化钠都是分析纯。

自制50mL离子交换树脂柱，有效长径比=1∶4。磁力搅拌器、分析天平、哈希紫外-可见分光光度计(DR6000)、蠕动泵、梅特勒便携式pH计、德国Jena原子吸收光谱仪(novAA400P)。

1.2实验方法

(1)静态离子交换吸附。

将离子交换树脂放入250mL浓度为30mg/L的氨氮模拟废水中，在磁力搅拌器上搅拌。考察了离子交换树脂用量、pH值、接触时间等因素对吸附效果的影响。取反应后的上清液，用紫外分光光度法测定氨氮浓度。

(2)动态离子交换吸附。

量取50m L LS-40树脂，装入吸附柱，分别用模拟废水和本钢实际废水进行树脂渗透实验，用蠕动泵控制废水按一定流量进入树脂吸附柱，定期检测不同时间段处理出水的氨氮值，以出水氨氮浓度为5mg/L为穿透点绘制穿透曲线。

2.结果和讨论

2.1树脂静态实验

2.1.1树脂用量对吸附效果的影响

取250mL模拟废水于烧杯中，分别加入2、3、4、5mL预处理树脂，置于磁力搅拌器上室温搅拌，每隔一定时间测量反应后的氨氮含量，计算树脂用量对氨氮去除效果的影响。结果如图1所示。

从图1可以看出，离子交换树脂用量越大，氨氮去除率越高。当树脂用量达到4mL时，氨氮去除率可达90%以上。如果树脂量进一步增加，去除率变化不大。考虑到经济成本，实验所需树脂量确定为4mL。

2.1.2接触时间对吸附效果的影响

将4ml LS-40树脂加入250mL模拟废水中，在20℃下搅拌，分别在1、2、3、5、7、8、10、12、15、20、22、25和30分钟取样，过滤后测量氨氮浓度。结果如图2所示。

从图2可以看出，氨氮的去除率随着接触时间的延长而增加。当接触时间大于15min时，氨氮去除率基本稳定。这是因为离子交换树脂对NH+4的离子交换达到饱和时，会出现离子交换的吸附平衡。因此，后续静态实验的接触时间为15分钟。

2 . 1 . 3 pH值对吸附效果的影响

向250mL模拟废水中加入4mL预处理过的LS-40树脂，分别调节溶液的pH值为5，6，7，8，9，10，室温下搅拌15min，反应后取上清液测定氨氮浓度。结果如图3所示。

从图3可以看出，pH在5.5 ~ 8.5时，氨氮去除率变化不大。当pH大于9时，氨氮的去除率迅速下降。这是因为当pH升高时，能提供离子交换吸附的NH+4减少，影响离子交换吸附行为的发生。考虑到氨氮的去除率和用于调节pH的氢氧化钠的用量，后续实验的进水pH确定为6.5。

2.2树脂渗透试验

2.2.1实际废水处理前后的水质变化

量取50mLLS-40树脂，装入吸附柱，用蠕动泵以3BV/h(BV为树脂体积的两倍)的流速进入吸附柱，每1h取样一次，当出水氨氮达到突破浓度5mg/L时停止进水，检测处理前后废水中pH、COD、钙、镁、钾、铁、氨氮的含量。具体结果见表3。

从表3中可以看出，检测6.8L处理后废水体积后的瞬时出水氨氮浓度为4.6 mg/L，同时水中的钙、镁、钾、铁浓度也明显降低，说明其他离子也随着氨氮交换到树脂中，降低了含氨氮废水的处理能力。

2.2.2实际废水和模拟废水的渗透曲线

为了更好地研究离子交换过程，采用模拟氨氮废水(氨氮浓度30mg/L)和本钢实际废水(氨氮浓度31.5mg/L)同时进行树脂渗透实验。

所有实验均采用50m L LS-40树脂，进水pH=7控制为7，进水流速为3 BV/h，当出水氨氮浓度达到5mg/L的突破浓度时，停止进水，绘制突破曲线。结果如图4所示。

从图4可以看出，在进水氨氮浓度相同的情况下，实际废水处理能力比模拟废水降低了63%。这是因为水中的钙、镁等阳离子也与树脂发生离子交换，降低了树脂对氨氮的处理能力。

2.3树脂解吸实验

将用于模拟废水和本钢废水动态处理的树脂解吸和再吸附三次，并用150mL4%的4%盐酸分析解吸的溶液。结果如图5所示。

从图5可以看出，随着处理模拟废水的树脂解吸和再吸附次数的增加，氨氮处理效果变化不大，但用相同体积的解吸液解吸处理本钢废水的树脂，解吸两次后氨氮处理效果降低60%。这是因为同体积的解吸液不能完全解吸其他阳离子，导致处理效果降低。

3.结论

(1)在LS-40阳离子交换树脂静态实验中，去除氨氮浓度为30mg/L的模拟废水的最佳条件为:pH 6.5～7.5，树脂用量16mL/L，反应时间15min，氨氮去除率达90%以上。

(2)通过动态实验对比实际废水和模拟废水，发现由于钙、镁等阳离子的影响，实际废水处理氨氮的能力比相同氨氮浓度的模拟废水低63%。在解吸过程中，相同体积的解吸液可以完全解吸氨氮，但钙镁等离子体不能完全解吸氨氮。因此，用离子交换树脂处理实际生产中产生的含低浓度氨氮的废水具有很大的局限性，影响因素很多，需要详细的实验验证才能应用于实际的废水处理过程。

(来源:沈阳化工研究院设计工程有限公司)

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