生物脫氮已經(jīng)成為大型城市污水廠脫氮的主流工藝，具體的工藝包括單一缺氧池活性污泥脫氮工藝、雙缺氧池和三缺氧池活性污泥工藝、氧化溝生物脫氮工藝和SBR生物脫氮工藝，這些工藝均存在水力停留時間長，冬季低溫運(yùn)行效率低等問題。上海市區(qū)現(xiàn)有城市污水處理廠原有設(shè)計(jì)僅能去除有機(jī)物，曝氣池水力停留時間短，現(xiàn)有生物脫氮工藝無法保證在原有設(shè)計(jì)處理能力的前提下實(shí)現(xiàn)脫氮。
Zeolite是一種天然礦物，它對水中的銨離子具有選擇吸附作用，在城市污水處理過程中可以作為交換劑去除二級生物處理出水中的氨氮，吸附飽和后的沸石常用食鹽再生。這種方法不僅操作復(fù)雜，而且再生液還需處理。為了解決該技術(shù)難題，我們把沸石的吸氨性能和活性污泥的生物作用相結(jié)合，開展了沸石強(qiáng)化生物脫氮新工藝的研究。
本文為該工藝研究的部分內(nèi)容。由于目前應(yīng)用于廢水氨氮處理的沸石大多是大于1mm的沸石顆粒，很少有應(yīng)用粒徑小于011mm的沸石粉，相應(yīng)的沸石粉吸氨性能研究也鮮有報道。本文研究了各種環(huán)境因素對沸石吸附氨氮的影響。
實(shí)驗(yàn)條件與方法
1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
本實(shí)驗(yàn)采用常用的粒徑為200目沸石粉，分別對城市污水初沉池處理出水以及氨氮濃度相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)配置液在攪拌的狀態(tài)吸附處理2h，測定吸附后溶液剩余氨氮濃度并計(jì)算沸石粉的吸銨量。
2、實(shí)驗(yàn)分析項(xiàng)目
實(shí)驗(yàn)的主要分析項(xiàng)目為氨氮濃度及化學(xué)需氧量(COD)。測定方法均采用國家環(huán)境保護(hù)總局的水與廢水監(jiān)測分析標(biāo)準(zhǔn)方法。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
1、不同產(chǎn)地的沸石氨氮交換能力
采用了山東、浙江、河南、河北四地的沸石，進(jìn)行沸石氨氮交換容量的實(shí)驗(yàn)比較。
不同產(chǎn)地的沸石由于其成因不同，形成的沸石結(jié)構(gòu)和組成也有所不同。沸石的類型不同其氨氮交換容量也有所不同。本實(shí)驗(yàn)沒有對沸石的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，只是從沸石對氨氮交換能力方面考察各地的沸石，然后進(jìn)行篩選，以確定以后實(shí)驗(yàn)使用的沸石。單從沸石的氨氮交換容量來看，浙江某地的沸石其氨氮交換容量最高，因此實(shí)驗(yàn)中除非特別說明實(shí)驗(yàn)均采用浙江產(chǎn)的沸石。最新發(fā)現(xiàn)承德木蘭圍場縣國投盛世沸石礦吸氨值均值在120左右。
2、粒徑對沸石吸附氨氮的影響
采用180～200目，80～100目，60～80目，40～60目四種粒徑的沸石進(jìn)行氨氮等溫交換吸附的對比實(shí)驗(yàn)，考查粒徑對氨氮交換的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
(1)粒徑對平衡交換容量有較大影響，交換容量的大小與粒徑的大小成反比，在一定的粒徑范圍內(nèi)沸石交換容量與粒徑成線性關(guān)系；
(2)四種粒徑的等溫交換曲線均為上凸形，對氨氮的交換有利；
(3)平衡狀態(tài)下，當(dāng)溶液相中的氨氮濃度較低時，粒徑對沸石交換容量的影響較小，當(dāng)溶液中氨氮濃度較高時，粒徑對氨氮交換量的影響較大；
(4)180～200目沸石的氨氮交換容量最大，市場上不同粒徑沸石的價格差異很小，考慮到動力攪拌的問題，生物實(shí)驗(yàn)中采用180～200目的沸石比較適宜。
3、起始氨氮濃度和沸石粉濃度對沸石吸氨量的影響
實(shí)驗(yàn)考察了不同起始氨氮濃度和沸石粉濃度對氨氮吸附的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在沸石粉濃度維持在4g/L不變時，沸石吸氨量隨著起始濃度的增加而增加，但氨氮濃度到了46mg/L后，吸附量增加的速率趨緩；起始氨氮濃度一定時，沸石吸氨量隨著沸石粉濃度的增加而減少。
4、鉀、鈉離子對沸石氨氮交換的影響
沸石是一種陽離子交換劑，對于各種離子的選擇交換順序如下：
Cs+>Rb+>K+>NH4+>Sr+>Na+>Ca2+>Fe3+>Al3+>Mg2+>Li+城市污水中，K+和Na+有可能影響沸石對NH4+的吸附。對于大部分城市污水來講，[K+]/[NH4+]<1，[Na+]/[NH4+]在015～3之間，因而本實(shí)驗(yàn)考察[K+]/[NH4+]、[Na+]/[NH4+]等于1時，鉀、鈉離子對氨氮等溫交換性能的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，沸石對鉀離子的選擇性略優(yōu)于對銨離子的選擇性，曲線成下凹形；沸石對銨離子的選擇性優(yōu)于對鈉離子的選擇性，等溫線保持上凹形。在有鉀、鈉離子的競爭時，沸石吸氨量大幅降低，可以理解為陽離子離子總量的增加導(dǎo)致氨氮交換量降低。因?yàn)榉惺瘜﹃栯x子的總交換量是不變的，其它陽離子的競爭必然造成氨氮交換量的降低。
5、pH對沸石氨氮交換吸附的影響
pH值對沸石吸氨量有三方面的影響：(1)當(dāng)pH值低時，水中H+增加，跟銨離子競爭吸附，不利于沸石吸附銨離子；(2)pH值升高，使沸石礦物表面帶的負(fù)電荷增加，有利于吸附銨離子；(3)pH值升高會使平衡OH-+NH4+←→H2O+NH3向右轉(zhuǎn)移，使水中銨離子濃度減少，不利于吸附。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)水pH值在5～8之間時，pH的變化對沸石氨氮交換能力的影響不大，沸石對氨氮的交換性能最佳。
6、溫度對沸石氨氮交換能力的影響
沸石對銨離子的吸附主要為物理吸附過程和離子交換過程。物理過程是放熱過程，溫度升高吸附量減少。離子交換過程可分為三個階段：顆粒外部擴(kuò)散(又稱膜擴(kuò)散)過程；顆粒內(nèi)部擴(kuò)散(又稱孔擴(kuò)散)過程；離子交換反應(yīng)過程。水溫高雖可以加速離子的擴(kuò)散，但由于離子交換反應(yīng)的復(fù)雜性，特別是當(dāng)交換速度取決于孔擴(kuò)散時，擴(kuò)散系數(shù)受交換量、離子的選擇性、離子的相互作用、孔徑等因素的影響，用純數(shù)學(xué)的方法來處理交換速度的問題就比較困難。本實(shí)驗(yàn)僅從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析溫度對沸石的氨氮交換影響。下表的結(jié)果表明：溫度對沸石的氨氮交換容量有少許的影響，但影響不大。如條件允許，給足交換反應(yīng)時間，即可消除溫度對氨氮交換容量的影響。
7、城市污水有機(jī)物等物質(zhì)對沸石氨氮交換能力的影響
污水組分復(fù)雜，不僅有表面活性劑、鹽分、石油類等物質(zhì)的影響，有非溶解性有機(jī)物和難降解有機(jī)物的附著、粘附以及氨氮、溶解性COD、各種陽離子等競爭性吸附，吸附的影響因素多。
當(dāng)吸附時間為30min時，沸石吸附氨氮的趨勢較為相似，但吸附速率和吸附量不同，膜過濾液吸附速率快，吸附量也大，而膜濃縮液相對要低一些。說明污水組分對沸石的吸附有影響。膜濃縮液為顆粒狀有機(jī)污染物，其容易被沸石表面粘附、附著，而在沸石表面形成有機(jī)物的界面層，從而影響氮的傳質(zhì)和吸附效果。
目前應(yīng)用于廢水氨氮處理的沸石大多是大于1mm的沸石顆粒，很少有應(yīng)用粒徑小于0.1mm的沸石粉。本文研究了沸石粉粒徑、起始氨氮濃度、鉀鈉離子、pH值、溫度、城市污水有機(jī)物等因素對沸石粉吸附氨氮能力的影響，為沸石粉的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明：
1、粒徑對平衡交換容量有較大影響，交換容量的大小與粒徑的大小成反比，在一定的粒徑范圍內(nèi)沸石交換容量與粒徑成線性關(guān)系。
2、在沸石粉濃度不變時，沸石吸氨量隨著起始濃度的增加而增加，但氨氮濃度到了46mg/L后，吸附量增加的速率趨緩；起始氨氮濃度一定時，沸石吸氨量隨著沸石粉濃度的增加而減少。
3、沸石對鉀離子的選擇性略優(yōu)于對銨離子的選擇性，曲線成下凹形；沸石對銨離子的選擇性優(yōu)于對鈉離子的選擇性，等溫線保持上凹形。在有鉀、鈉離子的競爭時，沸石吸氨量大幅度降低。
4、當(dāng)pH值在5～8之間時，pH的變化對沸石氨氮交換能力的影響不大，沸石對氨氮的交換性能最佳。
5、溫度對沸石的氨氮交換容量有少許的影響，但影響不大。
6、城市污水中的有機(jī)物對沸石粉吸附氨氮有一定影響。
