采用天然沸石顆粒處理模擬氨氮廢水，對比研究了常溫和中高溫下沸石吸附效果的差異，探討了高溫下吸附過程的熱力學(xué)，并優(yōu)化了高溫下沸石吸附氨氮廢水的操作工藝。究結(jié)果表明:天然沸石適合處理高溫氨氮廢水。

一、背景闡述

氨氮是指水中以游離氨(NH3)和銨根離子(NH4+)形式存在的氮。水體中的氨氮可導(dǎo)致水富營養(yǎng)化，是主要的耗氧污染物，因此對含氨氮的廢水，特別是工業(yè)氨氮廢水必須經(jīng)處理后才能排放。工業(yè)氨氮廢水，如工業(yè)循環(huán)冷卻用水、焦化廠廢水、食品加工廠廢水及制藥工廠廢水等的共性是溫度較高，都超過了45℃。但目前的廢水處理方法，包括生物硝化/反硝化、樹脂離子交換和化學(xué)沉淀等均不適合直接處理高溫氨氮廢水，需要預(yù)先對廢水進(jìn)行加水稀釋冷卻或熱交換器降溫處理，增加了處理工藝流程，加大了廢水處理的成本。

天然沸石是一種呈結(jié)晶陰離子型架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物質(zhì)，在自然界中分布廣泛，其結(jié)構(gòu)中鋁氧四面體結(jié)構(gòu)的電負(fù)性使天然沸石極易吸附銨根離子等陽離子，且同時具有耐高溫、耐酸堿等特性，因此在處理高溫氨氮廢水方面有潛在的應(yīng)用前景。

二、天然沸石在高溫氨氮中的吸附性能

不同溫度下天然沸石對溶液中氨氮的平衡吸附效果如圖1所示。由圖1可以看出在常溫階段(35℃以下)，天然沸石對氨氮的吸附質(zhì)量比為1.0mg/g左右。隨著溫度的升高，吸附質(zhì)量比顯著增大，在60℃以上達(dá)到2.0mg/g左右，并隨著溫度的繼續(xù)升高維持在一定范圍內(nèi)。因此天然沸石適用于處理中高溫氨氮廢水，且在同等用量下，吸附效果明顯優(yōu)于常溫下的吸附效果。這是由于溫度的升高加速了溶液中和沸石上的分子和離子的熱運(yùn)動，提高了沸石對溶液中氨氮的吸附活性。

在沸石處理高溫氨氮廢水特別是循環(huán)冷卻水過程中，沸石的大小直接影響進(jìn)水阻力。同時天然沸石顆粒的粒徑大小決定了沸石顆粒在溶液中與離子的接觸面積，影響了天然沸石對溶液中氨氮的吸附量。選取不同粒徑下的天然沸石對高溫氨氮溶液進(jìn)行吸附，吸附效果如圖5所示。

由圖5可知，隨著沸石粒徑的減小，天然沸石對溶液中氨氮的吸附速率和平衡吸附量均有顯著增加。沸石粒徑從8～10mm下降到1～2mm時，吸附質(zhì)量比由1.3mg/g提高到2.1mg/g。而沸石粒徑下降到0.5～1mm時，吸附效果基本不再增加。觀察發(fā)現(xiàn)粒徑為0.5～1mm時沸石顆粒在容器底部易團(tuán)聚，從而影響天然沸石與溶液離子接觸面積的提升。同時沸石作為濾料處理廢水時，沸石粒徑直接影響到進(jìn)水阻力，粒徑過小時，容易混入廢水流失。因此綜合考慮沸石破碎難易程度、吸附效果、進(jìn)水阻力和流失難易等因素，選取最佳粒徑為1～2mm。

由于高溫吸附反應(yīng)體系的影響，使得沸石對氨氮的吸附效果在堿性廢水環(huán)境下吸附量明顯降低。溶液中Ca2+的存在降低了沸石的吸附效果，而Mg2+和磷酸根對吸附效果基本無影響。另外，天然沸石對于氨氮吸附效果是明顯優(yōu)于活性炭和人造沸石的吸附效果。