傳統污水處理的脫氮工藝基于微生物作用,在去除有機污染物的同時(shí),通過(guò)硝化-反硝化耦合過(guò)程將氨氮氧化為硝酸根,再還原為氮氣去除。 該工藝過(guò)程雖然可以滿(mǎn)足污水的脫氮要求,但一方面面臨消耗有機碳源、工藝能耗較高、污泥產(chǎn)生量大、停留時(shí)間長(cháng)、構筑物占地面積大、受溫度波動(dòng)限制等缺點(diǎn),另一方面,其技術(shù)原理的本質(zhì)是氮元素的去除、而非資源化回收利用。 近年來(lái),以污水資源化為核心的新型水處理概念和工藝被不斷提出。 MCCARTY 等討論了城市污水廠(chǎng)作為能源輸出的可能。VERSTRAETE等提出了“ zero-wastewater”概念的上游濃縮工藝,通過(guò)有機物厭氧消化最大可能實(shí)現生活污水中的能源回收。 BATSTONE 等提出“源分離-釋放-回收”工藝實(shí)現生活污水中 C、N 和 P 的回收。
一種潛在的可持續的“上游濃縮”污水處理思路是用膜將污水中有機物分離濃縮,高 COD 濃縮液進(jìn)行厭氧消化回收能源,另一端含氨氮的出水利用離子交換過(guò)程實(shí)現氮素的富集回收。 由于膜組件的預處理可以避免固體懸浮物、有機物等造成的堵塞等問(wèn)題,因此該資源化處理思路可以最大限度的發(fā)揮離子交換柱的吸收能力,實(shí)現氮素的回收利用。
前期研究表明,生活污水經(jīng)過(guò)超濾膜濃縮處理后,出水氨氮相對較低、存在雜質(zhì)離子,是限制氮素回收利用的主要因素。 為了盡可能回收利用污水中蘊含的資源(氮素) ,本研究探索基于離子交換法去除、回收利用生活污水中的氨氮,旨在促進(jìn)水回用同時(shí)實(shí)現氨氮的富集回收,通過(guò)對離子交換富集回收氨氮方法的經(jīng)濟性進(jìn)行初步分析,為新的污水處理方式選擇提供參考。
沸石和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂是常見(jiàn)的氨氮吸收劑(考慮到本研究過(guò)程同時(shí)發(fā)生物理吸附和化學(xué)離子交換,本文統一使用吸收) 。研究表明,氨氮吸收的影響因素包括 pH、初始濃度、其他陽(yáng)離子及吸收劑用量等。針對吸收飽和后吸收劑的再生回用,有研究者通過(guò)動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗研究氨氮穿透曲線(xiàn)和吸收性能,并探究其解吸特性。相關(guān)研究表明,不同解吸液、物料流速等因素會(huì )對再生液中氨氮的富集效果產(chǎn)生影響。
本研究首先通過(guò)靜態(tài)批式實(shí)驗篩選較優(yōu)離子吸收劑,并分析 pH 波動(dòng)等因素對氨氮回收利用的影響。之后,通過(guò)動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗研究水中鈣和鎂離子對離子交換吸收過(guò)程、以及解吸后富集效果的影響,探索討論超濾膜濃縮后出水中低濃度氨氮回收利用的技術(shù)路線(xiàn)。
1 材料與方法
1. 1 靜態(tài)批式實(shí)驗
實(shí)驗用離子交換劑包括 001 × 7 強酸樹(shù)脂、D113 弱酸樹(shù)脂(遼寧錦州新科水處理設備廠(chǎng)) 、天然沸石(河北赤城縣) 、改性沸石(天然沸石在 85 ~ 95 ℃、100 g·L - 1氯化鈉溶液條件下經(jīng)過(guò) 2 h 改性處理) 。 各離子交換劑的基本性質(zhì)見(jiàn)表 1。
表 1 離子吸收劑的性質(zhì)
通過(guò)靜態(tài)批式實(shí)驗,考查各離子吸收劑在不同氨氮質(zhì)量濃度(5、10、20 和 50 mg·L - 1) 、不同 pH(2 ~12)條件下的吸收量,篩選最優(yōu)吸收劑。 吸收量( q1 )測定方法如下:稱(chēng)取離子交換劑置入 250 mL 錐形瓶,同時(shí)加入 100 mL 氨氮溶液 C0 ,經(jīng)過(guò) 150 r·min - 1搖床振蕩 48 h 處理后,測定此時(shí)氨氮濃度 Ct,計算吸收量 q1 。 其計算式如下:
q1 = (C0 - Ct) V / m (1)
式中:q1 為離子交換劑吸收量,mg·g- 1;C0 為吸收前氨氮質(zhì)量濃度,mg·L - 1;Ct為吸收后氨氮質(zhì)量濃度,mg·L - 1;V 為氨氮溶液的體積,mL;m 為加入的吸收劑質(zhì)量,g。
動(dòng)力學(xué)采用偽一級和偽二級模型擬合。
偽一級模型方程:
qt= qe·(1 - e- kt) (2)
偽二級模型方程:
式中:qt為吸收時(shí)間 t 時(shí)的吸收量,mg·g- 1;qe為平衡吸收量,mg·g- 1; k 為吸收速率常數。
1. 2 動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗
如圖 1 所示,構建動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗裝置,動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗包括吸收和解吸 2 個(gè)過(guò)程。 首先通過(guò)吸收曲線(xiàn)測定不同水樣在強酸樹(shù)脂柱和沸石柱中的穿透點(diǎn)和吸收量。 之后,測定解吸曲線(xiàn),并分析氨氮富集效果。
吸收柱有機玻璃管(高 18 cm,內徑 2. 4 cm) ,其中填充 12 cm 高的樹(shù)脂或沸石。 吸收流速 14. 4mL·min - 1,出水氨氮濃度達到進(jìn)水的 5% 時(shí)認為吸收柱穿透;解吸液為 10 g·L - 1NaCl 溶液,解吸流速5. 6 mL·min - 1,出水中不再含有氨氮時(shí)認為解吸完全。
動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗過(guò)程中,假設吸收柱穿透前的氨氮被完全吸收,則穿透吸收量的計算公式如下:
q2 = C0Qt / m (4)
式中:q2 為柱實(shí)驗中的吸收量,mg·g- 1;C0 為吸收前氨氮質(zhì)量濃度,mg·L - 1;Q 為吸收流速,14. 4 mL·min - 1;t 為穿透時(shí)間,min; m 為柱子內填充的吸收劑質(zhì)量,g。
1. 3 藥劑和分析方法
實(shí)驗藥品包括氯化銨、氯化鈣和氯化鎂(均為分析純) 。 靜態(tài)批式實(shí)驗中,用去離子水配制不同氨氮濃度溶液(5、10、20 和 50 mg·L - 1) 。 動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗中,用去離子水配模擬 3 種水樣,水樣 1 僅含 40 mg·L - 1氨氮,水樣 2 含 40 mg·L - 1氨氮 +20 mg·L - 1鈣 + 20 mg·L - 1鎂,水樣 3 為實(shí)際生活污水經(jīng)過(guò)超濾膜濃縮反應器富集去除有機物后的出水,其離子組成見(jiàn)表 2。
表 2 超濾膜濾后出水的離子組成
實(shí)驗中氨氮測定采用國家環(huán)境保護標準-納氏試劑法(HJ 533-2009) 。
2 結果與分析
2. 1 靜態(tài)批式實(shí)驗
2. 1. 1 不同吸收劑的吸收量比較
不同氨氮質(zhì)量濃度(5、10、20 和 50 mg·L - 1)下,4 種吸收劑的吸收量測定結果如圖 2 所示。 在低氨氮濃度下,同一離子交換劑的吸收量隨著(zhù)濃度增大而增大。 在相同氨氮濃度下,吸收量主要與吸收劑類(lèi)型有關(guān)。 在4 種離子交換劑中,強酸樹(shù)脂、天然沸石和改性沸石的吸收量較大,能達到2. 0 mg·g- 1以上。 同時(shí)由于氨氮初始濃度低,去除率基本都在 90% 左右,三者的差別不明顯。 弱酸樹(shù)脂吸收量小,去除率為40% ~ 55% ,可以歸因于弱酸性陽(yáng)樹(shù)脂的中性鹽分解容量很低甚至為 0,難以對強酸弱堿鹽(如氯化銨)進(jìn)行交換。 由此,可以認為低氨氮濃度下,氨氮去除率主要取決于吸收劑性能(類(lèi)型) 。
2. 1. 2 pH 和陽(yáng)離子對吸收劑性能的影響
通過(guò)以上的實(shí)驗,初步排除弱酸樹(shù)脂作為吸收劑,對強酸樹(shù)脂、天然沸石和改性沸石的吸收性能作進(jìn)一步研究。 pH 對強酸樹(shù)脂、天然沸石和改性沸石的吸收量的影響見(jiàn)圖 3 ( a) ,pH 范圍設定為 2 ~ 12 是為了說(shuō)明離子吸收劑的吸收機理。 pH 為 6 ~ 8 時(shí),吸收量最大;pH 較低時(shí),H +與 NH +4 競爭導致吸收能力降低;pH 較高時(shí),氨氮主要以 NH 形式存在,離子交換劑吸收能力急劇下降。
由于污水中不可避免地存在鈣、鎂等,在低氨氮的水中這些陽(yáng)離子的存在會(huì )對氨氮的吸收產(chǎn)生競爭,需要研究其對于氨氮吸收的影響,陽(yáng)離子對吸收的影響結果見(jiàn)圖 3 ( b) 。 由于陽(yáng)離子( Ca2 +)的存在,強酸樹(shù)脂和改性沸石的吸收量都減小,天然沸石的吸收量變化較小甚至有少量增加,這表明天然沸石對氨氮有選擇性吸收。 而改性沸石經(jīng)過(guò)加熱后總的吸收量比天然沸石雖然有增加,但氨氮吸收能力并沒(méi)有提高,由此來(lái)看加熱進(jìn)行沸石改性是不經(jīng)濟的。
2. 1. 3 不同吸收劑的氨氮吸收動(dòng)力學(xué)擬合
對氨氮的去除表現為快速吸收、緩慢平衡的特點(diǎn),見(jiàn)圖 4。 利用動(dòng)力學(xué)模型對強酸樹(shù)脂、天然沸石和改性沸石的氨氮吸收情況進(jìn)行擬合, 擬合結果如表 3 所示,可見(jiàn)強酸樹(shù)脂的氨氮吸收動(dòng)力學(xué)過(guò)程更接近偽一級反應,而 2 種沸石的氨氮吸收動(dòng)力學(xué)過(guò)程可以視作為二級反應。 對氨氮的吸收速率常數,強酸樹(shù)脂大于天然沸石,天然沸石大于改性沸石。
表 3 動(dòng)力學(xué)擬合結果
2. 2 動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗
2. 2. 1 陽(yáng)離子對動(dòng)態(tài)吸收解吸的影響
比較陽(yáng)離子存在對強酸樹(shù)脂、天然沸石和改性沸石的動(dòng)態(tài)吸收解吸特性的影響。 如圖 5 ( a)所示,吸收過(guò)程中,陽(yáng)離子的存在使樹(shù)脂的穿透體積從 350 BV 減小到180 BV( bed volume, BV,指柱子里填充的吸收劑體積) ,吸收容量明顯減小,表明樹(shù)脂對氨氮的選擇性差。 陽(yáng)離子的存在對天然沸石的吸收影響不大,其穿透體積保持在 100 ~ 130 BV,表明天然沸石對氨氮的選擇性較好。 改性沸石的穿透體積 368 BV減小到 80 ~ 110 BV(該值與天然沸石的值接近) ,吸收容量明顯減小,表明改性沸石對氨氮的選擇性差,進(jìn)一步證實(shí)了加熱改性增加的吸收容量并不選擇吸收氨氮,對于含有鈣鎂等二價(jià)離子的低濃度氨氮污水,加熱改性沸石只會(huì )導致成本的增加,而不會(huì )改善沸石對氨氮的吸收。
解吸實(shí)驗結果如圖 5( b)所示,離子樹(shù)脂的解吸速率較快,陽(yáng)離子的存在使其吸收量減小,相應的解吸體積也從 28 BV 減小到 12 BV,出水中氨氮濃度也減小;天然沸石的解吸緩慢,陽(yáng)離子對天然沸石的解吸影響較小;改性沸石的解吸與天然沸石一樣緩慢而且難以解吸完全,同時(shí)陽(yáng)離子的存在使得改性沸石的解吸液中氨氮濃度降低。 上述結果表明,對于含有陽(yáng)離子的低濃度氨氮污水,采用沸石吸收解吸富集回收氨氮時(shí),加熱改性缺乏必要性支持。
2. 2. 2 不同水樣的動(dòng)態(tài)吸收解吸
基于 2. 2. 1 的實(shí)驗,選擇強酸樹(shù)脂和天然沸石進(jìn)行實(shí)際膜濃縮后出水的氨氮動(dòng)態(tài)吸收、解吸實(shí)驗。 填充12 cm 高的強酸樹(shù)脂和天然沸石,進(jìn)水為實(shí)際污水經(jīng)過(guò)超濾膜濃縮反應器去除有機物后的出水(離子組見(jiàn)表 2) ,吸收穿透實(shí)驗之后進(jìn)行解吸實(shí)驗。 解吸液為 10 g·L - 1的 NaCl 溶液。
將氨氮、氨氮 + 硬度及實(shí)際膜出水 3 種水樣在天然沸石和強酸樹(shù)脂為吸收劑的氨氮動(dòng)態(tài)吸收解吸結果一起比較,見(jiàn)圖 6。 對于實(shí)際膜出水,2 種離子交換柱的穿透體積均為 110 BV 左右,繼續進(jìn)水,強酸樹(shù)脂柱的出水氨氮濃度急劇增大,并且出水濃度大于進(jìn)水濃度,這是由于進(jìn)水中其他陽(yáng)離子對氨氮的解吸作用。解吸時(shí),8 BV 解吸液就可以將強酸樹(shù)脂柱解吸完全,而出水氨氮濃度最高僅為 140 mg·L - 1,同樣天然沸石的最高解吸出水氨氮濃度也僅為 180 mg·L - 1,遠低于模擬廢水的兩組實(shí)驗(分別為 1 200 ~1 600 mg·L - 1和 400 ~ 600 mg·L - 1) ,也遠低于其他文獻中的解吸液濃度。天然沸石的解吸依然緩慢,經(jīng)過(guò) 24 BV 后出水中的氨氮仍然達到 57. 2 mg·L - 1,難以解吸完全。
以上結果表明:強酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂有較高的吸收容量,但是對陽(yáng)離子的選擇性差,水中存在其他陽(yáng)離子時(shí),氨氮的吸收效果明顯減小;由于強酸樹(shù)脂對陽(yáng)離子的吸收主要是離子交換作用,解吸容易,當水中其他陽(yáng)離子較少時(shí)可以實(shí)現對氨氮的富集回收。 天然沸石的交換容量雖然小于強酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,但對氨氮有選擇吸收性,受其他陽(yáng)離子影響小;由于天然沸石解吸困難,無(wú)法實(shí)現氨氮的富集回收,天然沸石也難以完全再生。 總之,為了實(shí)現氨氮的富集回收,有以下可行的方法:一是提高離子交換樹(shù)脂的選擇性;二是降低天然沸石的再生難度;三是研發(fā)適當的預處理技術(shù)消除雜質(zhì)陽(yáng)離子的干擾。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
1)在低氨氮濃度(5 ~ 50 mg·L - 1)下,吸收容量隨著(zhù)氨氮濃度增大而增大,且主要與離子交換劑的類(lèi)型有關(guān),其中強酸樹(shù)脂、改性沸石和天然沸石的去除率均能達到 90%左右。
2)隨著(zhù) pH 的變化(2 ~ 12) ,強酸樹(shù)脂、改性沸石和天然沸石的吸收容量均先增大后減小,pH 為 6 ~ 8時(shí)最大,適用于生活污水的一般 pH 條件 。
3)鈣、鎂的存在對天然沸石吸收的抑制小于強酸樹(shù)脂和改性沸石,即天然沸石對氨氮有更好的吸收選擇性。 動(dòng)態(tài)吸收實(shí)驗中 3 種吸收劑的穿透體積分別由 128 BV 升到 160 BV,352 BV 降到 200 BV,368 BV降到 110 BV。
4)強酸樹(shù)脂的解吸比沸石容易,改性沸石和天然沸石很難完全解吸。 為了實(shí)現氨氮的富集回收,需要找到一種有高氨氮選擇性同時(shí)易于再生的離子交換劑,或者研發(fā)適當的預處理技術(shù)消除雜質(zhì)陽(yáng)離子的干擾。
