摘要：考察了沸石對(duì)氨氮的吸附性能和影響因素，結(jié)果表明：適宜的沸石種類和粒徑能快速吸附水中的氨氮，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，去除率越大，但吸附時(shí)間達(dá)到10min以后，吸附速率明顯減緩；水體越接近中性，氨氮去除效果越好；電導(dǎo)率也會(huì)影響沸石吸附氨氮的性能。
氨氮是水體受到污染的標(biāo)志之一，容易引起水體藻類及其他微生物大量繁殖，形成水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使水中溶解氧下降，魚(yú)類死亡，水質(zhì)黑臭，導(dǎo)致湖泊干涸消失。氨氮排放量遠(yuǎn)超出受納水體的環(huán)境容量、污染負(fù)荷壓力大，是造成目前地表水體氨氦超標(biāo)的主要原因。
水體中氨氮超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致藻類和微生物大量繁殖，給水處理工藝流程和配水管網(wǎng)帶來(lái)危害。目前去除氨氮的技術(shù)主要分為生化和物化兩類：生化法有硝化及藻類養(yǎng)殖法，硝化法主要利用微生物的硝化反硝化作用去除多種含氮化合物。在實(shí)際的水廠運(yùn)行中，由于接觸空氣，很難進(jìn)行有效的反硝化反應(yīng)，雖處理能力大，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，但反應(yīng)器占地面積大，基建投資高，受氣溫水質(zhì)等因素影響較大，運(yùn)行成本高，不適于國(guó)內(nèi)的自來(lái)水行業(yè)使用。物化法有離子交換法、折點(diǎn)氯化法、吹脫法、化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法等。綜合考慮氨氮去除工藝，并結(jié)合水廠現(xiàn)有的工藝流程和運(yùn)行成本，采用離子交換法去除氨氮比較適用。
1、沸石吸附氨氮的性能
沸石的吸附機(jī)理和活性炭不盡相同，活性炭依靠其豐富的孔洞吸附水中雜質(zhì)，是一個(gè)物理過(guò)程。而沸石首先是一個(gè)物理吸附過(guò)程，當(dāng)吸附質(zhì)粒子與吸附劑表面之間形成化學(xué)吸附鍵并構(gòu)成表面絡(luò)合物時(shí)，沸石開(kāi)始化學(xué)吸附即離子交換過(guò)程。其離子交換性能主要與沸石結(jié)構(gòu)中硅鋁比的高低、沸石孔穴的大小、陽(yáng)離子性質(zhì)和位置有關(guān)。
沸石去除水中的氨氮主要是利用沸石對(duì)陽(yáng)離子的選擇交換過(guò)程，其孔穴和孔道的直徑與氨氮微粒的直徑相當(dāng)，因此對(duì)氨氮有很強(qiáng)的選擇吸附性能。不同的沸石其物理和化學(xué)性質(zhì)都有差別，對(duì)氨氦的吸附也有差別。我國(guó)天然沸石資源豐富，利用沸石去除水體中氨氮污染物價(jià)格低廉，具有較好的應(yīng)用前景。對(duì)自來(lái)水廠原水短期及突發(fā)性氨氮污染，投加沸石具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、價(jià)格便宜、吸附速度快、去除率高等優(yōu)勢(shì)。
2、沸石吸附氨氮的影響因素
2.1 沸石的種類和粒徑
選取沸石1號(hào)80目、沸石1號(hào)200目以及沸石2號(hào)200目共3種沸石，同時(shí)在ZR4-6六聯(lián)混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。原水氨氮為0.92mg/L，每種沸石均稱取2份各2.0g做平行實(shí)驗(yàn)，快速攪拌2min，靜置20min后測(cè)定出水氨氮，結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 沸石類別及粒徑對(duì)氨氮去除的影響
| 沸石種類 | 出水氨氮 | |
| 沸石1號(hào)80目 | 0.32 | 0.34 |
| 沸石1號(hào)200目 | 0.24 | 0.22 |
| 沸石2號(hào)200目 | 0.18 | 0.20 |
可以看出，同一種類的沸石粒徑越小吸附率越大，而同一粒徑、不同種類的沸石吸附率也有差異。選擇沸石2號(hào)、粒徑200目的沸石進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
2.2 沸石投加量
分別取1000mL氨氮濃度為0.96mg/L的原水置于6個(gè)燒杯中，稱取不同質(zhì)量的沸石快速攪拌2min，靜置10min后測(cè)定上清液氨氮，結(jié)果見(jiàn)圖1。
可以看出，沸石投加量越大去除率越大。沸石投加量為2.Og時(shí)，去除率達(dá)到75.0%，增加投加量去除率升高變緩，意義不大。在一定的投加量范圍內(nèi)，氨氮去除率與沸石投加量成正相關(guān)性。原水中能被沸石吸附去除的氨氮是一個(gè)相對(duì)固定值，過(guò)量投加沸石并不能顯著提高氨氮的去除率，反而造成沸石的浪費(fèi)。
2.3 接觸時(shí)間
沸石與原水接觸時(shí)間越長(zhǎng)，吸附率也越大，普通水處理工藝能滿足沸石吸附氨氮的時(shí)間要求。原水氨氮為0.99mg/L，投加2.0g沸石快速攪拌2min后，間隔不同時(shí)間測(cè)定上清液氨氮，結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 接觸時(shí)間對(duì)去除效果的影響
| 間隔時(shí)間/min | 2 | 5 | 10 | 20 | 30 | 60 |
| 出水氨氮/(mg·L-1) | 0.34 | 0.28 | 0.24 | 0.21 | 0.19 | 0.18 |
| 去除率/% | 65.7 | 71.2 | 75.8 | 78.8 | 80.8 | 81.8 |
可以看出，在前2min甚至更短的時(shí)間內(nèi)沸石快速吸附氨氮，去除率超過(guò)60%；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，去除率并未明顯增加，逐漸達(dá)到平衡。對(duì)自來(lái)水廠處理短期、突發(fā)性氨氮污染原水面言，投加時(shí)間和投加點(diǎn)比較靈活，在混凝階段或絮凝階段投加皆可，方便操作。
2.4 水體pH
分別取1000mL氨氮濃度為0.97mg/L的原水，用鹽酸和氫氧化鈉依次調(diào)節(jié)各原水pH值在1.0、3.0、5.0、7.0、9.0和11.0左右，分別投加2.0g沸石快速攪拌2min，沉淀10min后測(cè)定上清液氨氮，結(jié)果見(jiàn)圖2。
氨氮去除率隨著pH值的增加先升高后降低，pH值在5.0和7.0時(shí)去除率較大。氨氮在水中存在一個(gè)平衡：NH4++OH-→NH3+H2O，在酸性環(huán)境下，氨氮濃度高，H+濃度也高，H+會(huì)和氨氮爭(zhēng)奪沸石的離子交換位置。在堿性環(huán)境下，氨氮會(huì)與水中的OH-結(jié)合，降低了氨氮濃度，所以2種情況下的去除率均不高。在水體越接近中性的情況下，沸石去除氨氮的效果越好。
2.5 電導(dǎo)率
投加電解質(zhì)NaCl改變?cè)碾妼?dǎo)率，考察電導(dǎo)率對(duì)沸石吸附氨氮的影響。分別取1000mL氨氮濃度為0.98mg/L的原水，依次加入不同量的NaCl，中性條件下調(diào)節(jié)電導(dǎo)率。分別投加2.0g沸石快速攪拌2min，沉淀10min后測(cè)定各杯上清液氨氮，結(jié)果見(jiàn)圖3。
可以看出，通過(guò)添加電解質(zhì)改變?cè)碾妼?dǎo)率對(duì)沸石吸附氨氮的影響較大，電導(dǎo)率由127μs/cm升高到624μs/cm時(shí)，出水氨氮濃度逐漸增加，氨氮去除率下降明顯，由71.4%下降到51.0%。這主要是因?yàn)榉惺粌H能吸附水中的氨氮，還能吸附水中的陽(yáng)離子如Na+，電解質(zhì)中陽(yáng)離子的存在會(huì)阻礙沸石吸附氨氮的效能。
3、結(jié)論
①沸石的種類和粒徑會(huì)影響對(duì)氨氮的吸附，同一種沸石，粒徑越小，目數(shù)越大，對(duì)氨氮的去除率越高，但是過(guò)小的粒徑會(huì)提高制水成本。
②雖然沸石投加量越大對(duì)氨氮的去除效果越好，但實(shí)際生產(chǎn)中要考慮經(jīng)濟(jì)等多種因素，應(yīng)根據(jù)原水氨氮以及出水氨氮的限值選擇合適的投加量，以保證水質(zhì)。
③沸石對(duì)氨氮的吸附作用可以分為快速吸附、慢速吸附、相對(duì)平衡3個(gè)階段，其中快速吸附在投加后幾分鐘內(nèi)完成。在實(shí)際生產(chǎn)中，可靈活選擇投加點(diǎn)。
④調(diào)節(jié)原水由酸性變?yōu)橹行栽僮優(yōu)閴A性，沸石對(duì)氨氮的去除率先升高后降低，在接近中性時(shí)去除率較高。
⑤沸石對(duì)水中陽(yáng)離子都有吸附性能，電解質(zhì)的存在會(huì)影響沸石對(duì)氨氮的吸附效果。電導(dǎo)率越大，干擾陽(yáng)離子越多，沸石對(duì)氨氦的吸附效果越差。
