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化学沉淀法处理高浓度化肥厂废水

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化学沉淀法是2O世纪9O年代兴起的一种新的处理方法,尤其适合于高浓度氨氮废水的处理,脱氮效率高,工艺简单,可通过生成鸟粪石作为肥料回收氨。

MAP (Magnesium Ammonium Phosphate)化学沉淀法的基本原理是向含氨氮的废水中添加镁盐和磷酸盐,反应生成MAP (磷酸铵镁)。产物的化学分子式是 MgNH4PO4·6H2O,俗称鸟粪石。研究表明,MAP法可以有效地去除化肥厂废水中的高氨氮。化学沉淀法为氮肥废水高浓度氨氮的预处理问题提供了一种可行的途径。

1 反应机理

向氨氮废水中投加磷酸盐和镁盐,发生的主要化学反应如下:

Mg2+ + PO43- + NH4+ + 6H2O= MgNH4PO4 · 6H2O (1)

Mg2+ + HPO42 – + NH4+ + 6H2O=MgNH4PO4 · 6H2O + H+(2)

Mg2+ + H2PO4- + NH4+ + 6H2O=MgNH4PO4 · 6H2O + 2H+(3)

Ks = [Mg2 +][NH4+][PO43 -] = 2.5 × 10- 13 (4)

由反应式(2)、(3)可知,试验过程中水样的 pH 值不断下降,滴加 NaOH 溶液可促进(2)、(3)式向正反应方向进行。

2 结果和讨论

MAP是碱性盐,在碱性条件下溶解度随pH值的升高而降低。当溶液pH值>9.5时,溶液中氨离子变成气态氨挥发。同时,溶液中的Mg2+与OH-生成Mg(OH)2沉淀,当溶液pH值>11时,还将生成溶解度更低的Mg(PO4)3沉淀。当溶液pH值<7时,溶液中的PO43-浓度低,不利于反应(1)式的进行。因此,控制反应pH值在7.5~10之间,讨论对氨氮去除率的影响。

2.2 药剂配比对氨氮去除率的影响
由反应(1)式可知,生成MgNH4PO4·6H2O,理论上Mg2+:NH4+:PO43-的摩尔比应为1:1:1。根据同离子效应,增大Mg2+、PO43-的配比,可促进(1)式充分进行而提高氨氮的去除率。但经研究以及试验表明,若NH4+:PO43-的摩尔配比<1,虽然在一定程度上提高了氨氮的去除率,但反应后的残磷量却高达几百mg/L,带来了新的污染。

因此,为确保效果并避免产生二次污染,根据反应动力学原理,在降低磷酸盐投加比例的同时增加镁盐的投加量。首先固定Mg2+:NH4+的摩尔比为1.5:1,改变磷酸盐的投加量,反应的pH值控制在9.0。

表 2 改变磷酸盐投加比例对废水氨氮去除率及残磷量的影响


由表2知,当磷酸盐配比为0.8和0.9时,氨氮的去除率分别为96.25%和99.25%,出水的氨氮浓度分别为75mg/L和15mg/L,残磷量分别为9.2mg/L和19.8mg/L。固定PO43-:NH4+的摩尔比为0.9:1,改变镁盐的投加量,控制反应的pH值在9.0。研究改变镁盐的投加量对去除氨氮的影响。

3 沉淀物分析结果表明,增加镁盐的投加量,能有效地提高氨氮的去除率。当镁盐的投加比例为1.5时,废水的氨氮浓度可以降到100mg/L以下。


由反应式以及试验结果可知,反应产物的化学分子式为MgNH4PO4·6H2O,纯晶体呈白色晶体粉末状,比重是1.7,溶于酸,不溶于碱。MgNH4PO4·6H2O分子量为245,理论上每处理1kg氨氮,需要1.71kg镁、2.21kg磷,以及一定量的NaOH溶液,同时可以生成17.5kgMAP 沉淀,由于磷酸氨镁含有植物生长所需的N、P、Mg营养元素,且其养分比其他可溶肥的释放速率慢,肥料利用率高,可作缓释肥使用,不会出现灼烧情况。国外研究资料显示,MAP的理论价格为198~330美元/吨,开发MAP作缓释肥有较高的经济价值,同时还可以降低高浓度氨氮废水的处理费用。

4 结论

(1) 本文研究的是化肥厂氮肥废水,氨氮浓度高达2000mg/L,用一般的生物法难以降解,且高浓度氨氮的废水还会直接影响生物装置的正常运行。化学沉淀法生成 MgNH4PO4·6H2O沉淀,废水中氨氮的去除率高达95%以上,达到预处理目的,为后续生化处理奠定了基础。

(2) 研究表明, 当采用 MgCl2·6H2O、Na3PO4·12H2O处理该废水,Mg2+:NH4+:PO43-的摩尔比为1.5:1:0.9,pH值在9.0左右,原水中的氨氮浓度可由2000mg/L降到15mg/L,而残磷量低于20 mg/L。

(3) 生成的磷酸氨镁沉淀物溶解、释放速度慢,农作物利用率高,对环境污染小,是一种很有价值的缓释肥,肥料的开发利用可以大大降低废水处理费用,具有较高的经济价值。

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