摘要：考察了沸石對氨氮的吸附性能和影響因素，結(jié)果表明：適宜的沸石種類和粒徑能快速吸附水中的氨氮，吸附時間越長，去除率越大，但吸附時間達(dá)到10min以后，吸附速率明顯減緩；水體越接近中性，氨氮去除效果越好；電導(dǎo)率也會影響沸石吸附氨氮的性能。

氨氮是水體受到污染的標(biāo)志之一，容易引起水體藻類及其他微生物大量繁殖，形成水體富營養(yǎng)化，嚴(yán)重時會使水中溶解氧下降，魚類死亡，水質(zhì)黑臭，導(dǎo)致湖泊干涸消失。氨氮排放量遠(yuǎn)超出受納水體的環(huán)境容量、污染負(fù)荷壓力大，是造成目前地表水體氨氦超標(biāo)的主要原因。

水體中氨氮超標(biāo)會導(dǎo)致藻類和微生物大量繁殖，給水處理工藝流程和配水管網(wǎng)帶來危害。目前去除氨氮的技術(shù)主要分為生化和物化兩類：生化法有硝化及藻類養(yǎng)殖法，硝化法主要利用微生物的硝化反硝化作用去除多種含氮化合物。在實際的水廠運行中，由于接觸空氣，很難進(jìn)行有效的反硝化反應(yīng)，雖處理能力大，抗沖擊負(fù)荷能力強，但反應(yīng)器占地面積大，基建投資高，受氣溫水質(zhì)等因素影響較大，運行成本高，不適于國內(nèi)的自來水行業(yè)使用。物化法有離子交換法、折點氯化法、吹脫法、化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法等。綜合考慮氨氮去除工藝，并結(jié)合水廠現(xiàn)有的工藝流程和運行成本，采用離子交換法去除氨氮比較適用。

1、沸石吸附氨氮的性能

沸石的吸附機理和活性炭不盡相同，活性炭依靠其豐富的孔洞吸附水中雜質(zhì)，是一個物理過程。而沸石首先是一個物理吸附過程，當(dāng)吸附質(zhì)粒子與吸附劑表面之間形成化學(xué)吸附鍵并構(gòu)成表面絡(luò)合物時，沸石開始化學(xué)吸附即離子交換過程。其離子交換性能主要與沸石結(jié)構(gòu)中硅鋁比的高低、沸石孔穴的大小、陽離子性質(zhì)和位置有關(guān)。

沸石去除水中的氨氮主要是利用沸石對陽離子的選擇交換過程，其孔穴和孔道的直徑與氨氮微粒的直徑相當(dāng)，因此對氨氮有很強的選擇吸附性能。不同的沸石其物理和化學(xué)性質(zhì)都有差別，對氨氦的吸附也有差別。我國天然沸石資源豐富，利用沸石去除水體中氨氮污染物價格低廉，具有較好的應(yīng)用前景。對自來水廠原水短期及突發(fā)性氨氮污染，投加沸石具有設(shè)備簡單、投資少、價格便宜、吸附速度快、去除率高等優(yōu)勢。

2、沸石吸附氨氮的影響因素

2.1 沸石的種類和粒徑

選取沸石1號80目、沸石1號200目以及沸石2號200目共3種沸石，同時在ZR4-6六聯(lián)混凝實驗攪拌機上進(jìn)行實驗。原水氨氮為0.92mg/L，每種沸石均稱取2份各2.0g做平行實驗，快速攪拌2min，靜置20min后測定出水氨氮，結(jié)果見表1。

表1 沸石類別及粒徑對氨氮去除的影響

沸石種類	出水氨氮
沸石1號80目	0.32	0.34
沸石1號200目	0.24	0.22
沸石2號200目	0.18	0.20

可以看出，同一種類的沸石粒徑越小吸附率越大，而同一粒徑、不同種類的沸石吸附率也有差異。選擇沸石2號、粒徑200目的沸石進(jìn)行后續(xù)實驗。

2.2 沸石投加量

分別取1000mL氨氮濃度為0.96mg/L的原水置于6個燒杯中，稱取不同質(zhì)量的沸石快速攪拌2min，靜置10min后測定上清液氨氮，結(jié)果見圖1。

可以看出，沸石投加量越大去除率越大。沸石投加量為2.Og時，去除率達(dá)到75.0%，增加投加量去除率升高變緩，意義不大。在一定的投加量范圍內(nèi)，氨氮去除率與沸石投加量成正相關(guān)性。原水中能被沸石吸附去除的氨氮是一個相對固定值，過量投加沸石并不能顯著提高氨氮的去除率，反而造成沸石的浪費。

2.3 接觸時間

沸石與原水接觸時間越長，吸附率也越大，普通水處理工藝能滿足沸石吸附氨氮的時間要求。原水氨氮為0.99mg/L，投加2.0g沸石快速攪拌2min后，間隔不同時間測定上清液氨氮，結(jié)果見表2。

表2 接觸時間對去除效果的影響

間隔時間/min	2	5	10	20	30	60
出水氨氮/(mg·L-1)	0.34	0.28	0.24	0.21	0.19	0.18
去除率/%	65.7	71.2	75.8	78.8	80.8	81.8

可以看出，在前2min甚至更短的時間內(nèi)沸石快速吸附氨氮，去除率超過60%；隨著時間延長，去除率并未明顯增加，逐漸達(dá)到平衡。對自來水廠處理短期、突發(fā)性氨氮污染原水面言，投加時間和投加點比較靈活，在混凝階段或絮凝階段投加皆可，方便操作。

2.4 水體pH

分別取1000mL氨氮濃度為0.97mg/L的原水，用鹽酸和氫氧化鈉依次調(diào)節(jié)各原水pH值在1.0、3.0、5.0、7.0、9.0和11.0左右，分別投加2.0g沸石快速攪拌2min，沉淀10min后測定上清液氨氮，結(jié)果見圖2。

氨氮去除率隨著pH值的增加先升高后降低，pH值在5.0和7.0時去除率較大。氨氮在水中存在一個平衡：NH₄⁺+OH^-→NH₃+H₂O，在酸性環(huán)境下，氨氮濃度高，H⁺濃度也高，H⁺會和氨氮爭奪沸石的離子交換位置。在堿性環(huán)境下，氨氮會與水中的OH^-結(jié)合，降低了氨氮濃度，所以2種情況下的去除率均不高。在水體越接近中性的情況下，沸石去除氨氮的效果越好。

2.5 電導(dǎo)率

投加電解質(zhì)NaCl改變原水的電導(dǎo)率，考察電導(dǎo)率對沸石吸附氨氮的影響。分別取1000mL氨氮濃度為0.98mg/L的原水，依次加入不同量的NaCl，中性條件下調(diào)節(jié)電導(dǎo)率。分別投加2.0g沸石快速攪拌2min，沉淀10min后測定各杯上清液氨氮，結(jié)果見圖3。

可以看出，通過添加電解質(zhì)改變原水的電導(dǎo)率對沸石吸附氨氮的影響較大，電導(dǎo)率由127μs/cm升高到624μs/cm時，出水氨氮濃度逐漸增加，氨氮去除率下降明顯，由71.4%下降到51.0%。這主要是因為沸石不僅能吸附水中的氨氮，還能吸附水中的陽離子如Na⁺，電解質(zhì)中陽離子的存在會阻礙沸石吸附氨氮的效能。

3、結(jié)論

①沸石的種類和粒徑會影響對氨氮的吸附，同一種沸石，粒徑越小，目數(shù)越大，對氨氮的去除率越高，但是過小的粒徑會提高制水成本。

②雖然沸石投加量越大對氨氮的去除效果越好，但實際生產(chǎn)中要考慮經(jīng)濟等多種因素，應(yīng)根據(jù)原水氨氮以及出水氨氮的限值選擇合適的投加量，以保證水質(zhì)。

③沸石對氨氮的吸附作用可以分為快速吸附、慢速吸附、相對平衡3個階段，其中快速吸附在投加后幾分鐘內(nèi)完成。在實際生產(chǎn)中，可靈活選擇投加點。

④調(diào)節(jié)原水由酸性變?yōu)橹行栽僮優(yōu)閴A性，沸石對氨氮的去除率先升高后降低，在接近中性時去除率較高。

⑤沸石對水中陽離子都有吸附性能，電解質(zhì)的存在會影響沸石對氨氮的吸附效果。電導(dǎo)率越大，干擾陽離子越多，沸石對氨氦的吸附效果越差。