沸石和活性炭吸附生活污水中CODCr和NH3-N的试验

刘子姣，王茜

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

沸石和活性炭吸附生活污水中CODCr和NH3-N的试验

刘子姣，王茜

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

选择具备较强吸附性能的活性炭和沸石作为试验材料，以生活污水为研究对象，将吸附剂投加量和吸附时间作为影响要素，研究确定所选原料去除生活污水中CODCr和NH3-N的技术参数。结果表明，随着沸石和活性炭投加量的增加，NH3-N和CODCr去除率增加，当达到一定投加量的时候，去除率逐渐趋于平衡；随着吸附剂与污水水样接触时间的增加，沸石和活性炭对CODCr和NH3-N的去除率呈现先升高后平稳的趋势。综合考虑成本等经济因素，沸石投加量为100 g/L（50 g/500 mL）时，对CODCr和NH3-N的吸附效果较好，去除率分别为71.41%和49.68%，接触时间2 h为宜；活性炭投加量为400 mg/L（200 mg/500 mL）时，对CODCr和NH3-N的吸附效果较好，去除率分别为81.59%和63.28%，接触时间1 h为宜。

活性炭；沸石；去除率；CODCr；NH3-N

随着我国工业化的不断发展和人们生活水平的提高，每年大量的含有氨氮和有机污染物的工业废水和生活污水排入水库、河流等与人的生产生活息息相关的水系统，不仅给天然水体造成赤潮等富营养化灾害，也对水中的生态系统造成不可逆转的危害，更对人类的健康产生一定的潜在危害。

水体中的氨氮在一定的条件下会转化成亚硝酸盐，所以，长期摄入含有氨氮的饮用水，氨氮转化成的亚硝酸盐会和人体中的蛋白质等物质结合，从而形成具有很强致癌作用的亚硝胺。化学需氧量（COD）反映了水样受还原性污染物质如亚铁盐、亚硝酸盐、硫化物及有机化合物等的污染水平。基于水体被有机物污染的广泛性和普遍性，COD也是废水中有机污染物检测相对含量的总体指示标准之一[1]。

活性炭外观色泽呈黑色，为一种多孔径炭化物；沸石无毒无味，并且对于环境基本没有影响。沸石价格低廉、热稳定性能好、耐酸耐碱，结合中小型污水处理厂的流程结构特点，也可以在污水深度处理上有较大发展[2-11]。

本试验旨在研究采用沸石和活性炭处理生活污水的相关技术参数，通过试验研究这2种吸附材料对生活污水中的CODCr和NH3-N的去除效果，比较这2种材料的吸附优劣性，为城市生活污水中化学需氧量和氨氮的去除提供比较有效的途径。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料：沸石和活性炭，市场购置。

供试污水：选用的生活污水采自山西农业大学污水处理厂。水质状况：CODCr302.6 mg/L，NH3-N 32.41 mg/L。

1.2 试验方法

1.2.1 沸石和活性炭的预处理将试验选用的沸石和活性炭通过蒸馏水反复洗涤多次，以便除去备用吸附剂中所含有的泥质、沙石等杂质，然后再在蒸发皿上均匀铺开，放入烘箱于100～105℃下烘1 h，利用从外部加热提高温度，增大比表面积，提高孔隙率，之后取出让其冷却至室温，以备后续使用。

1.2.2 沸石、活性炭投加量试验试验设沸石用量分别为10，20，30，40，50，60 g等6个处理；活性炭用量分别为10，50，100，150，200，300 mg等6个处理。在常温（20～30℃）条件下，分别将过0.177 mm筛的天然沸石和活性炭分别加到装有500 mL，NH3-N质量浓度为32.41 mg/L，CODCr质量浓度为302.6 mg/L的试验水样的三角瓶中，在磁力搅拌器上以80 r/min快速搅拌30 min，之后静置沉降约30 min，然后取上清液，经过滤装置过滤后，测定供试污水中的CODCr和NH3-N含量[12]。

1.2.3 接触时间试验在常温（20～30℃）条件下，使用分析天平分别称量过0.177 mm筛的沸石30 g，共8份，过0.177 mm筛的活性炭200 g，共6份，然后再量取等量500 mL供试污水水样14份，将称取的等量沸石与活性炭样品与供试污水水样混合接触，在磁力搅拌器上搅拌，记录不同的接触时间，之后静置沉降约30 min，然后取上清液过滤。测定滤液的NH3-N浓度，计算NH3-N去除率，分析接触时间与NH3-N去除率的关系。

1.3 测定项目及方法

测定NH3-N采用纳氏试剂光度法[13]；化学需氧量采用重铬酸钾法检测[14]。

CODCr，NH3-N去除率的计算：先采用重铬酸钾法测定其CODCr值或采用纳氏试剂光度法测定其NH3-N值，记为C1，然后按照相应的工艺条件进行活性炭或沸石处理，再测定水样的CODCr及NH3-N浓度，记为C2。CODCr及NH3-N去除率（K）的计算公式为：K＝（C1－C2）/C1×100%。

2 结果与分析

2.1 沸石吸附生活污水中CODCr和NH3-N的试验结果

2.1.1 沸石的投加量对去除污水中CODCr和NH3-N的影响由表1可知，沸石用量在10～60 g变化时，通过沸石吸附后的污水上清液滤液中的CODCr质量浓度在86.5～216.9 mg/L变化，CODCr去除率为28.32%～71.41%；加人沸石后，污水的NH3-N和CODCr的浓度明显降低，沸石投加量继续增加，生活污水中CODCr的去除率仍逐渐升高。

表1 不同沸石的投加量对废水CODCr和NH3-N的净化效果

沸石用量在10～60 g变化时，沸石处理后的污水上清液滤液中的NH3-N质量浓度在16.31～26.90 mg/L变化，而NH3-N去除率则在17.00%～49.68%；加入沸石可以显著降低污水的NH3-N浓度，并且在沸石投加量小于50 g时，增加沸石的投入量，NH3-N的去除率也相应提升；当沸石的投入量为60 g时，NH3-N的去除率比投加量为50 g的沸石大约仅仅提升了0.96%；随着沸石投加量的持续增加，NH3-N去除率的提高并不十分明显，甚至还有下降的可能。

因为在一定试验条件下，当沸石用量在一个比较少的情况下，其达到平衡吸附态时所吸附的NH3-N也相应很少，所以，去除率小；随着吸附剂用量的不断加大，平衡吸附态下沸石吸附的NH3-N的量同样会慢慢增加，NH3-N的去除效果相应变得明显；然而，如果沸石用量超过一定的限度，沸石难以与供试污水充分地接触，这样反而会导致沸石去除NH3-N的性能逐渐变小[15]。所以，沸石在处理含NH3-N生活污水时，在试验初期逐步增大沸石投加量，NH3-N去除率的增加比较显著，随着沸石饱和吸附值的接近，继续增大沸石投加量，NH3-N去除率的变化也不会明显。若是继续加大沸石用量没有实质利用价值。因此，考虑原料成本等客观条件，沸石处理NH3-N投加量宜为100 g/L（50 g/500 mL）。

2.1.2 吸附时间对沸石去除污水中NH3-N的影响

从表2可以看出，当接触时间在0.5～4.0 h时，通过沸石吸附后的污水过滤后上清液的NH3-N质量浓度在18.06～23.48 mg/L变化，NH3-N去除率为27.55%～46.43%，随着吸附剂与污水水样接触时间的增加，沸石对NH3-N的去除率呈现先升高后平稳的趋势。2 h之前NH3-N去除率随接触时间的增加而逐渐提升，2 h时达到了高点，为44.77%，2 h之后的NH3-N去除效果改变不是十分明显，3 h时NH3-N去除率比2h的去除率仅仅增加了1.66百分点，3 h以后的NH3-N吸附率甚至逐步降低。可能是因为沸石在吸附氨离子时，到达一定量后会达到饱和，这个时候的沸石-污水体系达到了离子交换吸附平衡[16]，继续延长接触时间后沸石对NH3-N的去除效果并不明显，没有实际意义。由此可以看出，沸石对NH3-N的去除具有先快速吸附、后缓慢平衡[17]的特点。

表2 不同吸附时间下沸石吸附废水中NH3-N的结果

2.2 活性炭吸附生活污水中CODCr和NH3-N的试验结果

2.2.1 活性炭投加量对去除污水中CODCr和NH3-N的影响由表3可知，活性炭用量在10～300 mg变化时，活性炭吸附后污水上清液滤液中的CODCr质量浓度在53.2～203.9 mg/L变化，CODCr去除率则在32.62%～82.42%变化；加入活性炭能够显著降低生活污水中的CODCr，并且当活性炭的投加量小于200 mg时，随活性炭用量增大，CODCr的去除率也相应增大；当活性炭用量为300 mg时，CODCr去除率比活性炭用量为200 mg时只提升了1.02百分点；再增加活性炭的用量，CODCr的去除率没有太大的改变，甚至有降低的趋势。所以，在进行活性炭吸附生活污水中CODCr试验时，在最开始的阶段增加吸附剂用量，CODCr去除率增大的效果明显，在逐渐接近活性炭饱和吸附值的时候，继续增加活性炭投加量，CODCr的去除率提高效果则不明显。

表3 不同活性炭用量对废水中CODCr和NH3-N的净化效果

活性炭用量在10～300 mg变化时，通过活性炭吸附后的污水上清液滤液中NH3-N质量浓度在9.3～25.5 mg/L变化，NH3-N去除率为21.32%～71.31%；加入活性炭可以显著降低污水的NH3-N，且随着活性炭用量的增加，污水中的NH3-N去除率逐渐增高。活性炭表现出了对NH3-N去除的稳定性[18-21]。

2.2.2 吸附时间对活性炭去除污水中NH3-N的影响从表4可以看出，随着活性炭同废水水样接触时间的逐渐增加，活性炭对废水中NH3-N的去除率相应增加，当接触时间达到1 h后，NH3-N的去除率增加的趋势不明显，主要原因是由于活性炭的吸附容量随着吸附时间的推移逐渐趋近饱和。在吸附反应初期的30 min内，NH3-N的去除速率比较快，这个时段中活性炭随时间推移对NH3-N吸附量的增加比较明显；在1 h之后，活性炭吸附速率变得平缓，吸附效果随时间推移的变化不明显；在1.5 h时，活性炭对NH3-N的去除已经基本达到平衡状态。

表4 不同吸附时间下活性炭吸附废水中NH3-N的试验结果

3 结论

本试验进行了活性炭和沸石去除生活污水中NH3-N和CODCr效果的研究，结果表明，沸石处理污水中NH3-N的试验整体具有快速吸附、缓慢平衡的特点；沸石投入量增加，NH3-N去除率增加，当达到一定投入量时，去除率趋于平衡。沸石吸附CODCr，随着沸石用量的增加，污水中的CODCr去除率逐渐增高。随着吸附剂与污水水样接触时间的增加，沸石对NH3-N的去除率呈现先升高后平稳的趋势。这是由于沸石的吸附容量在投加量的不断增加下趋于饱和的原因。综合考虑成本等经济因素，沸石投加量为100 g/L（50 g/500 mL）时，对CODCr，NH3-N的去除率分别为62.79%，49.21%，接触时间为2 h时，效果最佳。

活性炭对于CODCr和NH3-N的吸附也是随着投加量的增加，对污染物的吸附量增加，当达到一定投加量时，去除率趋于稳定，且在同等条件下，活性炭对于CODCr的去除率大于对NH3-N的去除率，可见，活性炭对于NH3-N的吸附能力较弱。随着吸附剂与污水水样接触时间的增加，活性炭对NH3-N的去除率呈现先升高而后平稳的趋势。这是由于活性炭的吸附容量随着投加量不断增加趋于饱和的原因，综合污染物质去除效率和经济因素来看，对于净化城镇居民生活污水，活性炭投加量宜为400 mg/L（200 mg/500 mL），对CODCr和NH3-N的去除率分别为81.59%，63.28%，接触时间以1 h为宜。

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Experiment Research on the CODCrand NH3-N Adsorption of Domestic Sewage by Zeolite and Activated Carbon

LIU Zi-jiao，WANG Qian
（College of Resources&Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

This paper was in the process treatment of domestic sewage and chooses strong adsorptive zeolite and active carbon as adsorptive material.The effects of adsorption were investigated in different dosage and adsorption time.The thesis was to examine the selected materials to the waste of CODCrand NH3-N removal technology parameters by using experiments.The results showed that CODCrand NH3-N removal increased with the increase in the dosage of activated carbon and zeolite.When the amount of the dosage was reached,the removal rate tended to balance.With the increase of the adsorption time,the removal rate of zeolite and activated carbon increased firstly and then balance.Considering the cost and other economic factors,appropriate dosage of zeolite was 100 g/L,of CODCrand NH3-N removal rates were 71.41%and 49.68%,the optimum contact time was 2 h;appropriate dosage of activated carbon was 400 mg/L,of CODCrand NH3-Nremoval rates were 81.59%and 63.28%,respectively,the optimum contact time was 1 h.

activated carbon;zeolite;removal efficiency;CODCr;NH3-N

X799.3

A

1002-2481（2016）01-0053-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.01.15

2015-10-30

刘子姣（1979-），女，山西太谷人，讲师，硕士，主要从事水、土壤环境质量监测与评价研究及教学工作。