污水綜合排放標準對于氨氮指標有嚴格的排放要求，但是污水處理廠在實際運行過程中仍常面臨出水氨氮超標的問題。特別是當廢水中的污染物如氨氮、有機物等濃度較低時，生物脫氮法、吹脫法及沉淀法等去除效果均不理想，所以低濃度氨氮廢水的治理在經濟與處理效果上總是難以兩全，由于離子交換法對于處理低濃度氨氮廢水具有投資省、工藝簡單、操作方便的優點，引起了國內外相關學者的廣泛關注，并取得一定的研究成果。楊少霞等研究了pH、樹脂投加量、反應溫度等對樹脂吸附容量的影響，并進行了吸附等溫線、吸附熱力學的研究。嚴偉峰等對樹脂材料進行了篩選，并采用靜態吸附法研究了NH+4在陽離子交換樹脂上的吸附行為。但是這些研究主要停留在機理研究階段，而實際廢水中存在的鈣鎂等陽離子與NH+4對離子交換樹脂吸附氨氮的行為會產生顯著影響，關于這方面的實驗研究卻很少。因此，本文選用LS-40大孔弱酸型陽離子交換樹脂，通過對比其在模擬氨氮廢水和含有其他陽離子的實際廢水處理效果，以期獲得的數據能為離子交換樹脂處理低濃度氨氮廢水的實際應用提供技術支持。
1、實驗部分
1.1 實驗材料及儀器
實驗中所采用的樹脂為LS-40大孔弱酸型陽離子交換樹脂(陜西藍深特種樹脂有限公司提供)，其物理性質見表1。
實驗用水：實驗用水取自本溪鋼鐵廠生產廢水及氨氮濃度為30mg/L的氯化銨配水，廢水水質分析結果見表2。
氯化銨、納氏試劑、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純。
自制的50mL離子交換樹脂柱，有效徑高比=1∶4。磁力攪拌器、分析天平、哈希紫外-可見分光光度計(DR6000)、蠕動泵、梅特勒便攜式pH計、德國耶拿原子吸收光譜儀(novAA400P)。
1.2 實驗方法
(1)靜態離子交換吸附。
將離子交換樹脂投入到250mL濃度為30mg/L的氨氮模擬廢水中，在磁力攪拌器上進行攪拌，考察離子交換樹脂投加量、pH、接觸時間等因素對吸附效果的影響，取反應后上清液，采用紫外分光光度法測定氨氮濃度。
(2)動態離子交換吸附。
量取LS-40樹脂50mL，填裝于吸附柱中，分別用模擬廢水和本鋼實際廢水進行樹脂穿透實驗，使用蠕動泵控制廢水按照一定流量進入樹脂吸附柱，定時檢測不同時間段內處理出水氨氮值，以出水中的氨氮濃度為5mg/L為穿透點，繪制穿透曲線圖。
2、結果與討論
2.1 樹脂靜態實驗
2.1.1 樹脂用量對吸附效果的影響
取250mL模擬廢水于燒杯中，分別加入2、3、4、5mL預處理過的樹脂，常溫下置于磁力攪拌器上攪拌，間隔一定時間測定反應后氨氮的含量，并計算樹脂用量對氨氮去除效果的影響，所得結果見圖1。
由圖1可知，離子交換樹脂投加量越大，氨氮去除率越高。當樹脂用量達到4mL時，氨氮去除率達到90%以上。再繼續增加樹脂體積，去除率變化不大。從經濟成本考慮，確定實驗所需樹脂用量為4mL。
2.1.2 接觸時間對吸附效果的影響
在250mL模擬廢水中加入LS-40樹脂4mL，20℃下攪拌，分別在1、2、3、5、7、8、10、12、15、20、22、25、30min時取樣，過濾后測定氨氮濃度，所得結果見圖2。
由圖2可知，氨氮去除率隨接觸時間的延長而增大。當接觸時間大于15min后，氨氮去除率基本保持穩定。這是因為離子交換樹脂對NH+4的離子交換達到飽和后會出現離子交換的吸附平衡。因此，后續靜態實驗選擇接觸時間為15min。
2.1.3 pH對吸附效果的影響
在250mL模擬廢水中加入預處理的LS-40樹脂4mL，調節溶液pH分別為5、6、7、8、9、10，室溫下攪拌15min，取反應后上清液測定氨氮濃度，所得結果見圖3。
由圖3可知，當pH為5.5～8.5時，氨氮去除率變化不大;當pH大于9時，氨氮的去除率迅速下降。這是因為當pH升高時，可提供離子交換吸附的NH+4減少，影響離子交換吸附行為的發生。綜合考慮氨氮去除率和調節pH的氫氧化鈉使用量，確定后續實驗進水pH為6.5。
2.2 樹脂穿透實驗
量取50mLLS-40樹脂，填裝于吸附柱中，使用蠕動泵以3BV/h(BV為倍樹脂體積)流量進入吸附柱，每1h取樣一次，當出水氨氮達到穿透濃度為5mg/L時停止進水，檢測處理前后廢水pH、COD、鈣、鎂、鉀、鐵、氨氮的含量，具體結果見表3。
由表3可以看出，檢測處理廢水體積6.8L后的瞬時出水，氨氮的濃度為4.6mg/L，同時檢測出水中的鈣、鎂、鉀、鐵的濃度也降低明顯，說明其他離子也同氨氮一起交換到樹脂上，降低了含氨氮廢水的處理量。
2.2.2 實際廢水與模擬廢水的穿透曲線
用模擬氨氮廢水(氨氮濃度為30mg/L)與本鋼實際廢水(氨氮濃度為31.5mg/L)同時進行樹脂穿透實驗，目的在于能夠更好的研究離子交換過程。
實驗均用LS-40樹脂50mL，控制進水pH=7，進水流速為3BV/h，當出水氨氮濃度達到穿透濃度5mg/L時，停止進水，繪制穿透曲線圖，所得結果見圖4。
由圖4可以看出，同樣的進水氨氮濃度，實際廢水的處理量與模擬廢水相比，降低了63%，這是由于水中鈣鎂等陽離子同樣與樹脂進行了離子交換，降低了樹脂對于氨氮的處理能力。
2.3 樹脂解吸實驗
動態實驗處理模擬廢水與本鋼廢水的樹脂，均進行了3次解吸再吸附，解吸液均采用150mL4%鹽酸進行解析，所得結果見圖5。
從圖5可以看出，隨著處理模擬廢水的樹脂解析和再吸附次數的增加，氨氮處理效果變化不大，但是處理本鋼廢水的樹脂用同樣體積的解吸液進行解吸，解吸2次后氨氮處理效果降低60%，這是因為用同樣體積的解吸液，無法將其他陽離子完全解吸下來，導致處理效果下降。
3、結論
(1)使用LS-40陽離子交換樹脂的靜態實驗，對氨氮濃度為30mg/L的模擬廢水去除的較優條件是：pH為6.5～7.5、樹脂投加量為16mL/L、反應時間為15min時，氨氮去除率達90%以上。
(2)采用動態實驗進行實際廢水與模擬廢水的對比，實際廢水中由于鈣鎂等陽離子的影響，同樣的氨氮濃度，處理氨氮能力比模擬廢水的處理水量降低了63%。在解吸過程中，同樣的解吸液體積，可以將氨氮完全解吸下來，但是鈣鎂等離子，無法解吸完全。因此，實際生產中產生的含低濃度氨氮廢水，使用離子交換樹脂處理局限性較大，影響因素較多，需要經過詳細的實驗驗證后，才能應用于實際廢水處理工藝。
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