化學沉淀法—次氯酸鈉氧化法聯合去除污水中氨氮的試驗

李凱　劉漢湖　潘凌瀟

摘要：以100 mg/L氨氮模擬污水為研究對象，探討次氯酸鈉氧化法以及化學沉淀法脫除污水中氨氮的最佳反應條件。結果表明，次氯酸鈉氧化法與化學沉淀法單獨使用均可以在一定程度上去除污水中的氨氮；次氯酸鈉氧化法與化學沉淀法聯合使用可以提高污水中氨氮的去除率，出水達到二級排放標準，相對而言，化學沉淀法-次氯酸鈉氧化法比次氯酸鈉氧化法-化學沉淀法效果更佳。

關鍵詞：次氯酸鈉氧化法；化學沉淀法；氨氮

中圖分類號： X703 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0330-03

近年來，隨著工農業的發展，大量高濃度的含氮污水被排入水體，導致水體富營養化嚴重[1]。水體中的氮包括有機氮、無機氮，兩者之和稱為總氮（TN）。有機氮包括蛋白質、氨基酸、尿素、胺類化合物、硝基化合物等。無機氮包括氨氮（NH3-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）。由于氨氮是氮循環的核心，同時，氨氮一般要經過硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮才能轉化為無害的氮氣，所以氮素大部分是由氨氮轉化而來。污水中氨氮去除方法包括物理方法、化學方法、生物方法等。雖然每種處理技術都能有效地去除氨氮，但是實際應用于污水的處理方法應具有應用方便、處理性能穩定、適用于污水水質且經濟實用等特點。本研究采用次氯酸鈉氧化法及化學沉淀法處理污水，并比較2種方法各自的優缺點，旨在為氨氮污水處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗原理

1.1.1 次氯酸鈉氧化法 向含氨氮的污水中加入次氯酸鈉后，次氯酸、次氯酸根離子能夠與水中的氨反應產生一氯胺、二氯胺、三氯胺。由于三氯胺在pH值<5.5條件下才能穩定存在，而且在水中溶解度很低，所以天然水中幾乎不存在三氯胺。只要次氯酸鈉劑量足夠，就可以通過一系列反應將水中的氨氮轉化成氮氣。

1.1.2 化學沉淀法 化學沉淀法是指向污水中投加Mg2+、PO43+，使其與污水中的氨氮生成難溶的磷酸銨鎂沉淀物，從而將污水中的氨氮脫除[2]。化學沉淀法中常用的鎂鹽試劑有MgO、MgCl2、MgSO4，以Na2HPO4、NaH2PO4、H3PO4作為磷酸根的來源。但是H3PO4與MgO 僅在局部發生接觸，反應生成膠狀的Mg3（PO4）2或Mg（OH）2，且MgO是難溶的氧化物，致使氨氮去除率低[3]。由于相同質量的NaH2PO4·2H2O對氨氮去除率略低于Na2HPO4·12H2O，因此，本試驗主要選用Na2HPO4·12H2O、MgCl2·6H2O作為沉淀劑。

1.2 試劑與儀器

氯化銨、濃硫酸、硫代硫酸鈉、磷酸氫二鈉、氯化鎂、碘化鉀、可溶性淀粉等試劑均為分析純，次氯酸鈉（有效氯含量10%）。FA2004N電子天平、pH410A型酸度計、752型紫外光柵分光光度計、HJ-6多頭磁力加熱攪拌器。

1.3 模擬污水的配制

稱取0.763 8 g氯化銨，在100～105 ℃下干燥2 h，溶于 2 000 mL 水中，配制成濃度為100 mg/L的模擬污水。

1.4 方法

采用納氏試劑分光光度法測定氨氮含量，采用碘量法測定有效氯含量，采用酸度計測定pH值。

1.4.1 次氯酸鈉氧化法 將次氯酸鈉溶液與氨氮加入污水水樣中，用HJ-6多頭磁力加熱攪拌器攪拌一段時間。反應結束后，用淀粉-碘化鉀試紙測試廢水中是否含有游離氯，若含有游離氯，可以向經處理的污水中加入適量的3.5 g/L硫代硫酸鈉溶液以消除游離氯。

1.4.2 化學沉淀法 將Na2HPO4·12H2O與MgCl2·6H2O投放到污水中，用10%NaOH溶液與10%HCl溶液調節污水pH值，用HJ-6多頭磁力加熱攪拌器攪拌2 h，使之與氨氮充分反應生成磷酸銨鎂，靜置2 h左右，取上清液測定污水中氨氮的含量[4]。

2 結果與分析

2.1 次氯酸鈉氧化法

2.1.1 氯與氨氮的量比對污水中氨氮去除率的影響 理論上，當氯與氨氮的量比為1.5時可以將氨氮氧化為氮氣，但是實際應用中常受污水中其他因素的影響，氯與氨氮的量比往往會偏離1.5。在室溫且pH值為自然狀態下，控制反應時間為20 min，探究氯與氨氮的量比對污水中氨氮去除率的影響，結果如圖1所示。由圖1可以看出，當氯與氨氮的量比為12～1.7時，隨著氯與氨氮的量比的增大，氨氮的去除率不斷提高；當氯與氨氮的量比為1.7時，氨氮去除率達63.6%；當氯與氨氮的量比大于1.7時，氨氮的去除率上升較慢。因此，建議氯與氨氮的量比為1.7。

2.1.2 反應時間對污水中氨氮去除率的影響 在室溫且pH值為自然狀態下，當氯與氨氮的量比為1.7時，研究反應時間對污水中氨氮去除率的影響，結果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著反應時間的延長，氨氮去除率有所提高，但是提高緩慢。當反應時間由20 min延長至60 min時，氨氮去除率僅由63.6%提高到68.1%。從節能角度考慮，反應時間為 20 min較為合適。

2.1.3 pH值對污水中氨氮去除率的影響 室溫下，反應時間為20 min，氯與氨氮的量比為1.7時，研究pH值對污水中氨氮去除率的影響，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著pH值的上升，氨氮的去除率呈現先上升后下降的變化趨勢，當pH值為7～9時氨氮去除率較高。當pH值大于9時，氨氮的去除率下降較快。因此，最適pH值為7～9，即可以選擇自然水體。次氯酸鈉氧化法能夠有效去除污水中的氨氮，與傳統的氯系氧化劑液氯相比，使用次氯酸鈉作為氧化劑不會產生氯氣外泄的危險[5]，而且可進一步減少消毒副產物的產生。但是，水體中的其他物質也會消耗部分有效氯，影響處理效果[6]。

2.2 化學沉淀法

2.2.1 藥劑配比對污水中氨氮去除率的影響 溶液中反應離子的超飽和度是影響晶核形成的主要原因，適度投加鎂鹽、磷酸鹽可以進一步去除氨氮[7]。因此，n（Mg） ∶ n（N）固定為1.1，pH值為9.0，反應時間為4 h，改變磷酸鹽的投加量以確定最佳的n（P） ∶ n（N）值，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，當n（P） ∶ n（N）為1.2時，氨氮去除率最高，達到了18.1%，以后隨著n（P） ∶ n（N）的增加，氨氮去除率有下降的趨勢。因此，n（P） ∶ n（N）為1.2，pH值為9.0，反應時間為4 h，改變鎂鹽的投加量以確定最佳的n（Mg） ∶ n（N）值，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，當n（Mg） ∶ n（N）為1.5時，氨氮去除率達28.8%。由此可知，最佳投加量確定為n（Mg） ∶ n（N） ∶ n（P）為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2。

2.2.2 pH值對污水中氨氮去除率的影響 將投加量控制為n（Mg） ∶ n（N） ∶ n（P）為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2，反應時間4 h，在不同pH值條件下測定氨氮的去除率，因為磷酸銨鎂為堿性鹽，在酸性條件下完全溶解[8-9]，所以pH值取值范圍為8.0～140，結果如圖6所示。

由圖6可以看出，當pH值為9.0～11.0時，氨氮的去除

效果較好，當pH值為10.0時氨氮去除率達到54.4%。當pH值小于8.0時，僅有少量沉淀生成。當pH值大于11.0時，沉淀物為乳膠狀，可以判定此時生成的沉淀物不是磷酸銨鎂。化學沉淀法操作方便，氨氮去除率較高，生成的磷酸銨鎂沉淀可以回收，作為緩釋化肥[10]。但是化學沉淀法反應時間較長，運行費用較高。

2.3 次氯酸鈉氧化法與化學沉淀法聯合脫除污水中的氨氮

從以上試驗可以看出，次氯酸鈉氧化法與化學沉淀法對于污水中的氨氮都有一定去除效果，單獨使用其中一種方法，均不能達到氨氮的排放指標，因此，筆者嘗試聯合采用次氯酸鈉氧化法以及化學沉淀法脫除污水中的氨氮。

2.3.1 化學沉淀法-次氯酸鈉氧化法脫除污水中的氨氮 n（Mg） ∶ n（N） ∶ n（P）為1.5 ∶ 1 ∶ 1.2，pH值為10.0，在 HJ-6 多頭磁力加熱攪拌器中攪拌2 h充分反應，沉淀2 h后取上清液，加入次氯酸鈉溶液氧化脫除廢水中剩余的氨氮，20 min 后向廢水中加入適量的3.5 g/L硫代硫酸鈉溶液以消除游離氯，對污水中的氨氮含量進行測定（表1）。結果表明，處理后的廢水達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級排放標準（<25 mg/L）。

由此可知，次氯酸鈉氧化法與化學沉淀法聯合使用可以提高污水中氨氮的去除率，處理后的廢水能夠達到 GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級排放標準。相比較而言，化學沉淀法-次氯酸鈉氧化法去除效果更好。

3 結論

本研究表明，次氯酸鈉氧化法與化學沉淀法均可以在一定程度上去除污水中的氨氮。次氯酸鈉氧化法與化學沉淀法聯合使用可以提高污水中氨氮的去除率，處理后的廢水能夠達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級排放標準。相比較而言，化學沉淀法-次氯酸鈉氧化法去除效果更好。

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