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電廠高濃度氨氮廢水處理MAP法

       某電廠煙氣脫硫裝置產生高濃度氨氮廢水，其氨氮含量高達3000mg/L以上，在排放前需要對廢水進行脫氮處理。常用的脫氮方法有很多，但都各有優點和不足，國內處理高濃度氨氮廢水主要選擇的是生化法和氨吹脫法(空氣吹脫和蒸汽汽提)，而國外多采用MAP化學沉淀法來去除氨氮。MAP法在處理低濃度氨氮廢水運行費用過高常被棄用，但在處理高濃度氨氮廢水時其優勢明顯，因操作簡便、影響因素少、脫氮效果好而被廣泛應用到高濃度氨氮廢水處理中，脫氮除磷后生成的磷酸銨鎂又可用作緩釋性復合肥料、化學原料，飼料添加劑以及醫藥建材等行業，具有較為廣闊的應用前景，創造更高經濟利用價值。本文利用此法在實驗室對高濃度氨氮廢水進行實驗，為工業生產摸索最佳的反應條件。

       1、實驗部分

       1．1 原理

       MAP法是一種處理高氨氮廢水的化學方法，其基本原理是向含有氨氮的廢水中添加磷酸鹽和鎂鹽，反應生成磷酸銨鎂(MgNH4PO4)。

       MgNH4PO4在水中的溶解度很低，Ksp=2．5×10－13(25℃)。向高氨氮廢水中投加磷源和鎂源，可以生成MgNH4PO4沉淀，從而達到去除氨氮的目的，見式(1)：

       1．2 儀器和主要試劑

       1．2．1 儀器

       SEVENMULTI數顯酸度計、磁力攪拌器。

       1．2．2 試劑的選擇

       實驗選擇MgCl2•6H2O(分子量：203.3)作鎂源，選擇Na2HPO4(分子量：142.0)作磷源。MAP法常采用的鎂源包括MgCl2、MgO、Mg(OH)2，其中以MgCl2的處理效果最好，因為MgCl2在水中的溶解度很大，可以與氨氮、磷源快速反應，具有反應速率快、利用率高的優點；MgO、Mg(OH)2處理效果相對較差，因為二者在水中的溶解度較低，不能充分溶解于廢水中，并且沒有溶解的鎂源又會被生成的MgNH4PO4沉淀包裹，阻礙了鎂源繼續溶解。

       MAP法處理高氨氮廢水常選用的磷源包括Na2HPO4和NaH2PO4、H3PO4。這3種磷源的關鍵區別在于投加相同物質的量的3種磷源到氨氮廢水后，對廢水pH的影響不同。Na2HPO4和NaH2PO4、H3PO4的酸性逐漸增強，所以研究者一般本著調節pH所需投加酸堿成本的目的挑選適合的磷源。因實驗廢水的pH較低，則選擇酸性最低的Na2HPO4作為本次實驗磷源。

       2、結果與討論

       2．1 反應時間

       MAP法反應時間主要取決于MAP晶體的成核速率和成長速率，因此，MAP法處理氨氮廢水選擇適宜的攪拌速度和控制適當反應時間可以有效提升藥劑效率。有資料表明，剩余氨氮濃度隨反應時間與氨氮去除率成正比，反應時間越長，剩余濃度越低，但較長的時間會增加處理的費用，實驗應將時間控制在合理的范圍內。通過反復實驗觀察，攪拌反應10min，靜置10min，可獲得較穩定的沉淀量。

       2．2 pH值

       多次實驗發現pH對處理高氨氮廢水效果影響很大。當pH＞10時，廢水中的氨氮會大部分轉化為NH3，在攪拌條件下直接揮發到空氣中。較低的pH有利于氨氮的存在，但在實驗中出現pH過低的酸性溶液中產生的沉淀顆粒細膩且量較少，造成沉淀時間較長。分析原因是MgNH4PO4的溶解度隨pH降低而增大，較低的pH值會導致生成的MgNH4PO4溶解在廢水中，無法形成沉淀。通過用10%的NaOH溶液調整不同的pH值，發現pH在9．0～9．5時，反應沒有出現NH3的揮發，同時形成的MgNH4PO4沉淀顆粒較大，攪拌停止2min后，溶液就有明顯的分層現象。

       2．3 反應物配比

       反應物投加的摩爾配比n(NH4+)∶n(Mg2+)∶n(PO43－)理論應為1∶1∶1。但是由于實際反應過程中常伴隨著副反應的發生，如生成Mg(OH)2和Mg3(PO4)2沉淀；同時根據同離子效應，增大Mg2+、PO43+配比會促進反應，提升氨氮的去除率和去除速率。根據上述原因及查詢相關資料，本實驗共選用了4種不同的配比進行實驗，實驗廢水體積為100ml，廢水氨氮含量檢測計算為0．224mol/L，實驗結果見表1。

       通過實驗對比表明，實驗2中n(NH4+)∶n(Mg2+)∶n(PO43－)為1∶1．3∶1．2氨氮去除率最高。

       2．4 實驗中存在的問題

       2．4．1 直接添加固體反應物，會造成沉淀反應不完全。

       Na2HPO4溶解度大，但溶解速度較為緩慢，固體粉末直接添加到水中，中高速攪拌也需3～4min后才能溶解，選用直接加Na2HPO4和MgCl2固體試劑到氨氮廢水中，溶液一直處在渾濁狀態，無法判斷生成物的起始時間，且反應后除了粉末狀沉淀外，還有結塊的晶體存在，判斷結塊的晶體是未能完全溶解的Na2HPO4晶體，通過分析發現2種固體反應物同時添加到水中，MgCl2溶解較快，但Na2HPO4只有部分溶解，沒有溶解的Na2HPO4會被生成的MgNH4PO4沉淀包裹，阻礙了繼續溶解。經過多次反復實驗得出先將2種反應物分別用廢水溶解后再混合，沉淀反應能夠進行完全。

       2．4．2 檢測數據的時效性和準確性，是保證氨氮去除率的關鍵環節。

       本次實驗預估的的氨氮去除率應達到95%以上，但實驗最好的一組也只達到了94.4%，通過數據分析，發現實驗中反應物的添加量是通過幾天前檢測的氨氮數據精確計算的，實驗后檢測原液的氨氮含量數據與前者不一致，反應物的添加量計算偏差較大，會影響反應結果。準確獲得廢水中的氨氮值，可提高廢水氨氮去除率。

       3、結論

       通過實驗可以看出，MAP法在電廠廢水處理中具有反應速度快、沉淀穩定完全、脫氮效率高，產物可回收利用，具有較好的經濟效益和環境效益等優點。在pH為9．0～9．5的條件下，選用Na2HPO4和MgCl2作為磷源和鎂源，其摩爾比n(NH4+)∶n(Mg2+)∶n(PO43－)為1∶1.3∶1.2進行MAP反應，反應20min，廢水氨氮的去除率可達到94%以上。但是，經MAP法處理后的廢水中的氨氮殘留濃度仍較高，未達到直接排放要求。建議對于電廠的高濃度氨氮廢水，MAP可作為高氨氮廢水的預處理工藝加以推廣應用。

文章來源：中國石油烏魯木齊石化分公司研究院

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