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沸石在污水處理劑中的應用

發布時間:2019-07-02     瀏覽次數:6036

一、沸石的環保作用

環境問題是當今世界上人類面臨的最重要的問題之一,已得到世界各國的高度重視。隨著我國社會經濟的快速發展,環境問題變得日益突出。在環境保護和治理方面,世界上許多國家,特別是發達國家對非金屬礦物在環保上的應用非常重視。其中非金屬礦——沸石倍受青睞。

隨著工農業生產的發展和人民生活水平的提高,含氮化合物的排放量急劇增加,已成為環境的主要污染源,并引起各界的關注。經濟有效地控制氨氮廢水污染已經成為當今環境工作者所面臨的重大課題。

沸石具有特殊的四面體結構,因而有較大的表面積和較高的離子交換和吸附能力,使沸石在廢水處理中得到了廣泛的應用。沸石可去除廢水中有機污染物,去除氨氮,去除懸浮物,藻類等,降低出水濁度。而且還能去除水中重金屬離子。國外專利(J52034549)介紹,將斜發沸石、絲光沸石改型為Na型、NH3型沸石后,利用其對溶液中某些離子有“離子篩”的作用,處理有色金屬礦山、冶煉廠、化工廠排入的含重金屬離子的廢水,然后通過解吸回收金屬。除了治理廢水,沸石還可以改造水質。如西沙群島飲用水就是用當地含沸石的火山角礫巖處理后,排除海水中的有機質,降低礦化度,減少氨離子和硝酸根成為標準飲用水的。

沸石在污水處理劑中的應用

(1)氨氮廢水的來源

含氮物質進入水環境的途徑主要包括自然過程和人類活動兩個方面。含氮物質進入水環境的自然來源和過程主要包括降水降塵、非市區徑流和生物固氮等。人類的活動也是水環境中氮的重要來源,主要包括未處理或處理過的城市生活和工業廢水、各種浸濾液和地表徑流等。

人工合成的化學肥料是水體中氮營養元素的主要來源,大量未被農作物利用的氮化合物絕大部分被農田排水和地表徑流帶入地下水和地表水中。隨著石油、化工、食品和制藥等工業的發展,以及人民生活水平的不斷提高,城市生活污水和垃圾滲濾液中氨氮的含量急劇上升。

近年來,隨著經濟的發展,越來越多含氮污染物的任意排放給環境造成了極大的危害。

氮在廢水中以有機態氮、氨態氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)以及亞硝態氮(NO2--N)等多種形式存在,而氨態氮是最主要的存在形式之一。廢水中的氨氮是指以游離氨和離子銨形式存在的氮,主要來源于生活污水中含氮有機物的分解,焦化、合成氨等工業廢水,以及農田排水等。氨氮污染源多,排放量大,并且排放的濃度變化大。

(2)氨氮廢水的危害

水環境中存在過量的氨氮會造成多方面的有害影響:

(1)由于NH4+-N的氧化,會造成水體中溶解氧濃度降低,導致水體發黑發臭,水質下降,對水生動植物的生存造成影響。在有利的環境條件下,廢水中所含的有機氮將會轉化成NH4+-N,NH4+-N是還原力最強的無機氮形態,會進一步轉化成NO2--N和NO3--N。根據生化反應計量關系,1gNH4+-N氧化成NO2--N消耗氧氣3.43g,氧化成NO3--N耗氧4.57g。

(2)水中氮素含量太多會導致水體富營養化,進而造成一系列的嚴重后果。由于氮的存在,致使光合微生物(大多數為藻類)的數量增加,即水體發生富營養化現象,結果造成:堵塞濾池,造成濾池運轉周期縮短,從而增加了水處理的費用;妨礙水上運動;藻類代謝的最終產物可產生引起有色度和味道的化合物;由于藍-綠藻類產生的毒素,家畜損傷,魚類死亡;由于藻類的腐爛,使水體中出現氧虧現象。

(3)水中的NO2--N和NO3--N對人和水生生物有較大的危害作用。長期飲用NO3--N含量超過10mg/L的水,會發生高鐵血紅蛋白癥,當血液中高鐵血紅蛋白含量達到70mg/L,即發生窒息。水中的NO2--N和胺作用會生成亞硝胺,而亞硝胺是“三致”物質。NH4+-N和氯反應會生成氯胺,氯胺的消毒作用比自由氯小,因此當有NH4+-N存在時,水處理廠將需要更大的加氯量,從而增加處理成本。近年來,含氨氮廢水隨意排放造成的人畜飲水困難甚至中毒事件時有發生,我國長江、淮河、錢塘江、四川沱江等流域都有過相關報道,相應地區曾出現過諸如藍藻污染導致數百萬居民生活飲水困難,以及相關水域受到了“牽連”等重大事件,因此去除廢水中的氨氮已成為環境工作者研究的熱點之一。

(3)沸石在污水處理劑中的應用

沸石水處理劑選用高品位天然沸石經過活化、改性復合而成的多功能污水處理新材料,具有極大的比表面積、極強的吸附能力和離子交換能力,對污水中的有機污染物具有吸附和催化降解能力,對重金屬等物質污染物具有極強的吸附固化能力,在污水中具有很好的化學穩定性,而且不分解、不變質,不污染水體。

其具體原理為:

離子交換法的實質是不溶性離子化合物(離子交換劑)上的可交換離子與廢水中的其它同性離子的交換反應,是一種特殊的吸附過程,通常是可逆性化學吸附。沸石是一種天然離子交換物質,其價格遠低于陽離子交換樹脂,且對NH4+-N具有選擇性的吸附能力,具有較高的陽離子交換容量,純絲光沸石和斜發沸石的陽離子交換容量平均為每100g相當于213和223mg物質的量(m.e)。但實際天然沸石中含有不純物質,所以純度較高的沸石交換容量每100g不大于200m.e,一般為100~150m.e。沸石作為離子交換劑,具有特殊的離子交換特性,對離子的選擇交換順序是:Cs(Ⅰ)>Rb(Ⅰ)>K(Ⅰ)>NH4+>Sr(Ⅰ)>Na(Ⅰ)>Ca(Ⅱ)>Fe(Ⅲ)>Al(Ⅲ)>Mg(Ⅱ)>Li(Ⅰ)。工程設計應用中,廢水pH值應調整到6~9,重金屬大體上沒有什么影響;堿金屬、堿土金屬中除Mg以外都有影響,尤其是Ca對沸石的離子交換能力影響比Na和K更大。沸石吸附飽和后必須進行再生,以采用再生液法為主,燃燒法很少用。再生液多采用NaOH和NaCl。由于廢水中含有Ca2+,致使沸石對氨的去除率呈不可逆性的降低,要考慮補充和更新。


著名礦物學家穆普頓曾指出:由于全球性環境調節及環保需要,20世紀70年代人類進入“沸石世紀”。沸石以卓越的環境凈化、修復、替代功能,以及價廉易得、制備簡單且無二次污染的優勢使它在環境治理中擁有廣泛的應用前景。我們應充分發揮我國沸石的資源優勢,加強對沸石的研究,研制出附加值更高的沸石新材料,從而產生更好的社會效益、經濟效益及生態環境效應。

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