化学沉淀法处理低碳高氨氮化肥废水实验研究

胡书民， 宋玉萍

安徽水利水电职业技术学院,安徽 合肥 231603



化学沉淀法处理低碳高氨氮化肥废水实验研究

胡书民， 宋玉萍

安徽水利水电职业技术学院,安徽 合肥 231603

通过对化学沉淀法脱氮工艺条件的研究,确定不同pH值,不同Mg2+、PO43-投加量对氨氮去除效率的影响,得出处理低碳高氨氮化肥废水的最佳工艺条件为:pH值9.0～9.5、摩尔比Mg2+:NH4+:PO43-=1.5:1.0:0.9,此条件下氨氮的去除率在80%以上。

高氨氮化肥废水；化学沉淀法；实验研究

氨氮是引起水体富营养化的重要污染物质,化肥制造工业废水中常含有高浓度氨氮。降低化肥工业废水中的氨氮含量,并对此植物营养物质进行回收利用成为当务之急。

针对高浓度氨氮废水的治理工艺,在实际工程应用中主要有生物法、空气吹脱法、折点加氯法、离子交换法、蒸汽气提法、化学沉淀法、膜分离法、反渗透法和电渗析法等。

化学沉淀法处理低碳高氨氮废水的基本原理是向废水中添加镁盐和磷酸盐,反应生成磷酸铵镁,产物的化学分子式是MgNH4PO4·6H2O,俗称鸟粪石,简称MAP(Magnesium Ammonium Phosphate)。磷酸铵镁是一种高效的缓释肥料,在沉淀过程中不吸收重金属和有机物。

1 实验原理及方法

1.1 实验原理

向氨氮废水中投加磷酸盐和镁盐,发生的主要化学反应如下:

Mg2++PO43-+NH4++6H2O=MgNH4PO4·6H2O

(1)

Mg2++HPO42-+NH4++6H2O=MgNH4PO4·6H2O+H+

(2)

Mg2++H2PO4-+NH4++6H2O=MgNH4PO4·6H2O+2H+

(3)

(4)

由反应式(2)、(3)可知,随反应过程的进行,碱度不断消耗,酸度不断增强,滴加NaOH等碱溶液可促进(2)、(3)式向正反应方向进行。同时,磷酸铵镁结晶的形成受水溶液酸碱度的影响很大,当溶液中Mg2+、NH4+、PO43-的活度积大于磷酸铵镁的溶度积Ksp时,会自发沉淀生成磷酸铵镁。

1.2 实验方法

废水通入电磁恒温搅拌反应器前, 首先测定废水中氨氮的浓度, 然后先后加入Mg2+、PO43-, 调节溶液酸碱度值, 同时搅拌若干时间。停止搅拌, 靠重力沉降将固体与清液分离, 测量残液中氨氮浓度及磷酸盐浓度。沉淀物经过滤,在38℃下恒温烘干48h,得到产品磷酸铵镁,对其进行成分分析。

1.3 分析方法

上清液中氨氮、总磷、镁离子浓度的测定采用标准分析法,沉淀物的分析参照钙镁磷肥生产分析方法。

2 实验结果及讨论

2.1 药剂种类对氨氮去除效果的影响

镁源选取方面,以MgCl2作为Mg2+供体时,相对于其他镁盐,MgCl2水溶性较好,有利于反应发生。磷源方面,采用Na2HPO4作为PO43-来源,比采用H3PO4、NaH2PO4脱氮效果好。因为同等条件下的电解液,解离出同样物质量的磷酸离子,NaH2PO4·2H2O比Na2HPO4·12H2O困难,且生成H+较多,进而不利于在碱性条件下进行反应[4]。因此在此实验中,选用MgCl2·6H2O与Na2HPO4·12H2O作为沉淀剂。

2.2 pH值对氨氮去除效果的影响

溶液酸碱度决定了反应中Mg2+、PO43-、NH4+的在水中达到平衡时的存在形态和活度。较高的碱度,有利于反应的发生及生成物磷酸铵镁晶体的稳定,但溶液碱度值太高时,NH4+不稳定,容易以NH3的形式挥发,污染环境,并造成氨的损耗。

图1表示pH值对氨氮去除率及磷残留浓度的影响,pH值从7.5到9,氨氮去除率逐渐增加,磷残留浓度逐渐降低,pH从9到9.5,氨氮去除率基本保持持平,pH值再增加,氨氮去除率降低。对高浓度氨氮化肥废水,适宜的pH值在9～9.5。在此范围磷酸铵镁的溶解度变化较小,但当pH值在10.5～12时,固体氨会从MAP中游离出来,形成挥发性氨气,而溶液中易生成更难溶的Mg3(PO4)2(ksp=9.8×10-25)。

2.3 药剂投加量对氨氮去除效果的影响

由式(1)可知,生成磷酸铵镁理论上的摩尔比r(Mg2+):r(NH4+):r(PO43-)应为1∶1∶1。根据同离子效应,增大Mg2+、PO43-的配比可促进(1)式反应进行,从而提高氨氮的去除率。

为确保较高的氨氮去除率,同时避免反应残夜中总磷超标,污染环境,根据反应动力学原理,在降低磷酸盐投加量时,增加镁盐的投加量[6]。首先固定Mg2+:NH4+的摩尔比为1.5:1,改变磷酸盐的投加量,此时反应的pH值控制在9.0～9.5。

表1 改变磷酸盐投加比例对废水氨氮去除率及残磷量的影响

改变磷酸盐投加比例对废水氨氮去除率及残磷量的影响如表1所列，可见当磷酸盐配比为0.8和0.9时,氨氮的去除率分别为96.25%和99.25%,出水的氨氮浓度分别为75mg/L和15mg/L,残磷量分别为9.2mg/L和19.8mg/L。固定PO43-:NH4+的摩尔比为0.9:1,改变镁盐的投加量,控制反应的pH值在9.0～9.5。研究改变镁盐的投加量对去除氨氮的影响。试验结果如表2所列。

表2 改变镁盐的投加量对去除氨氮的影响

表2结果表明,增加镁盐的投加量,能有效地提高氨氮的去除率。当镁盐的投加比例为1.5时,纤的氨氮浓度可以降到100mg/L以下。

2.4 反应时间对氨氮去除效果的影响

对氮肥厂废水进行实验,图2为水力停留时间对氨氮去除率和磷残余浓度的影响,发现当水力停留时间为25min时,氨氮去除率最高(80%)。同时反应时间也是形成磷酸铵镁晶粒大小的因素之一。

图2 水力停留时间对氨氮去除率和磷残余浓度的影响

在各水力停留时间内,氨氮去除率均在90%以上。可见,在此时间段内,反应时间对氨氮去除率的影响较小。但通过试验发现,水力停留时间大于80 min 时,去除率却有所降低,这是因为反应时间过长时,易破坏磷酸铵镁沉淀体系,使磷酸铵镁结晶沉淀性能降低,进而导致反应残液中氨氮浓度反而增加。

3 结 论

磷酸铵镁结晶体MgNH4PO4·6H2O分子量为245,根据其化学反应式,处理1kg氨氮,需要1.71kg镁、2.21kg磷,以及一定量的中和生成酸度所需的NaOH溶液,同时可以生成17.5kg磷酸铵镁沉淀。由于磷酸氨镁含有农作物生长所需的N、P、Mg营养元素,相对于其他可溶性化学肥料,其养分释放速率慢,利用率高,因而不失为一种优质的植物缓释肥[7]。

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[6] 蒋京东,徐远,马三剑,吴建华.鸟粪石结晶沉淀法处理氨氮废水[J].水处理技术,2008,(2):48.

[7] 徐志高,黄倩,张建东,等.化学沉淀法处理高浓度氨氮废水的工艺研究[J].工业水处理,2010,(6):32.

(责任编辑 胡 进)

Experimental study on treatment of low carbon and high nitrogen fertilizer wastewater by chemical precipitation method

HU Shu-min, SONG Yu-ping

(Anhui Technical College of Water Resources and Hydroelectic Power,Hefei 231603,China)

This paper researches the condition that chemical precipitation removal ammonia nitrogen.The research makes a conclusion of the optimal condition of dealing with these artificial wastewaters, they are pH between 9.0 and 9.5, magnesium, ammonium and phosphate molar ratios of 1.5:1.0: 0.9, in the optimal condition, the ammonia nitrogen removal rate is above 80%.

high strength ammonia nitrogen wastewater; chemical precipitation method;experimental study

2015-11-10；

2015-11-15

胡书民(1981-)，女，安徽合肥人，硕士，讲师，主要从事环境工程专业课教学和废水处理研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2015.04.019

TQ113.2

A

1671-6221(2015)04-0059-03