傳統(tǒng)污水處理的脫氮工藝基于微生物作用,在去除有機(jī)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?dú)馊コ��?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(jī)碳源、工藝能耗較高、污泥產(chǎn)生量大、停留時(shí)間長(zhǎng)、構(gòu)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(jī)物厭氧消化最大可能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)生活污水中 C、N 和 P 的回收。

　　一種潛在的可持續(xù)的“上游濃縮”污水處理思路是用膜將污水中有機(jī)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(xiàn)氮素的富集回收。 由于膜組件的預(yù)處理可以避免固體懸浮物、有機(jī)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(xiàn)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(duì)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(yùn)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(xiàn)氨氮的富集回收,通過(guò)對(duì)離子交換富集回收氨氮方法的經(jīng)濟(jì)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(tǒng)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(duì)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(yàn)研究氨氮穿透曲線和吸收性能,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(duì)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(yàn)篩選較優(yōu)離子吸收劑,并分析 pH 波動(dòng)等因素對(duì)氨氮回收利用的影響。之后,通過(guò)動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗(yàn)研究水中鈣和鎂離子對(duì)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。

　　1　 材料與方法

　　1. 1　 靜態(tài)批式實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)用離子交換劑包括 001 × 7 強(qiáng)酸樹(shù)脂、D113 弱酸樹(shù)脂(遼寧錦州新科水處理設(shè)備廠) 、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(yàn),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(cè)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(cè)定此時(shí)氨氮濃度 Ct,計(jì)算吸收量 q1 。 其計(jì)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(jí)和偽二級(jí)模型擬合。

　　偽一級(jí)模型方程:

　　qt= qe·(1 - e- kt)                           (2)

　　偽二級(jí)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(shù)。

　　1. 2　 動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗(yàn)

　　如圖 1 所示,構(gòu)建動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗(yàn)裝置,動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗(yàn)包括吸收和解吸 2 個(gè)過(guò)程。 首先通過(guò)吸收曲線測(cè)定不同水樣在強(qiáng)酸樹(shù)脂柱和沸石柱中的穿透點(diǎn)和吸收量。 之后,測(cè)定解吸曲線,并分析氨氮富集效果。

　　吸收柱有機(jī)玻璃管(高 18 cm,內(nèi)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(dá)到進(jìn)水的 5% 時(shí)認(rèn)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(rèn)為解吸完全。

　　動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,假設(shè)吸收柱穿透前的氨氮被完全吸收,則穿透吸收量的計(jì)算公式如下:

　　q2 = C0Qt / m                                                    (4)

　　式中:q2 為柱實(shí)驗(yàn)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(nèi)填充的吸收劑質(zhì)量,g。

　　1. 3　 藥劑和分析方法

　　實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yīng)器富集去除有機(jī)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(yàn)中氨氮測(cè)定采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)-納氏試劑法(HJ 533-2009) 。

　　2　 結(jié)果與分析

　　2. 1　 靜態(tài)批式實(shí)驗(yàn)

　　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(cè)定結(jié)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(qiáng)酸樹(shù)脂、天然沸石和改性沸石的吸收量較大,能達(dá)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(duì)強(qiáng)酸弱堿鹽(如氯化銨)進(jìn)行交換。 由此,可以認(rèn)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(duì)吸收劑性能的影響

　　通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn),初步排除弱酸樹(shù)脂作為吸收劑,對(duì)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)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(shè)定為 2 ~ 12 是為了說(shuō)明離子吸收劑的吸收機(jī)理。 pH 為 6 ~ 8 時(shí),吸收量最大;pH 較低時(shí),H +與 NH +4 競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)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(duì)氨氮的吸收產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng),需要研究其對(duì)于氨氮吸收的影響,陽(yáng)離子對(duì)吸收的影響結(jié)果見(jiàn)圖 3 ( b) 。 由于陽(yáng)離子( Ca2 +)的存在,強(qiáng)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(duì)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(jì)的。

　　2. 1. 3　 不同吸收劑的氨氮吸收動(dòng)力學(xué)擬合

　　對(duì)氨氮的去除表現(xiàn)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(duì)強(qiáng)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(jié)果如表 3 所示,可見(jiàn)強(qiáng)酸樹(shù)脂的氨氮吸收動(dòng)力學(xué)過(guò)程更接近偽一級(jí)反應(yīng),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(jí)反應(yīng)。 對(duì)氨氮的吸收速率常數(shù),強(qiáng)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(jié)果

　　2. 2　 動(dòng)態(tài)吸收柱實(shí)驗(yàn)

　　2. 2. 1　 陽(yáng)離子對(duì)動(dòng)態(tài)吸收解吸的影響

　　比較陽(yáng)離子存在對(duì)強(qiáng)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(duì)氨氮的選擇性差。 陽(yáng)離子的存在對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dǎo)致成本的增加,而不會(huì)改善沸石對(duì)氨氮的吸收。

　　解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)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(duì)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(jié)果表明,對(duì)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(yàn),選擇強(qiáng)酸樹(shù)脂和天然沸石進(jìn)行實(shí)際膜濃縮后出水的氨氮?jiǎng)討B(tài)吸收、解吸實(shí)驗(yàn)。 填充12 cm 高的強(qiáng)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(yīng)器去除有機(jī)物后的出水(離子組見(jiàn)表 2) ,吸收穿透實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)。 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(qiáng)酸樹(shù)脂為吸收劑的氨氮?jiǎng)討B(tài)吸收解吸結(jié)果一起比較,見(jiàn)圖 6。 對(duì)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(xù)進(jìn)水,強(qiáng)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(duì)氨氮的解吸作用。解吸時(shí),8 BV 解吸液就可以將強(qiáng)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(yuǎn)低于模擬廢水的兩組實(shí)驗(yàn)(分別為 1 200 ~1 600 mg·L - 1和 400 ~ 600 mg·L - 1) ,也遠(yuǎn)低于其他文獻(xiàn)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(dá)到 57. 2 mg·L - 1,難以解吸完全。

　　以上結(jié)果表明:強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂有較高的吸收容量,但是對(duì)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(qiáng)酸樹(shù)脂對(duì)陽(yáng)離子的吸收主要是離子交換作用,解吸容易,當(dāng)水中其他陽(yáng)離子較少時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮的富集回收。 天然沸石的交換容量雖然小于強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,但對(duì)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(xiàn)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(xiàn)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(dāng)?shù)念A(yù)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.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3　 結(jié)論

　　1)在低氨氮濃度(5 ~ 50 mg·L - 1)下,吸收容量隨著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(qiáng)酸樹(shù)脂、改性沸石和天然沸石的去除率均能達(dá)到 90%左右。

　　2)隨著 pH 的變化(2 ~ 12) ,強(qiáng)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(duì)天然沸石吸收的抑制小于強(qiáng)酸樹(shù)脂和改性沸石,即天然沸石對(duì)氨氮有更好的吸收選擇性。 動(dòng)態(tài)吸收實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(xiàn)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(dāng)?shù)念A(yù)處理技術(shù)消除雜質(zhì)陽(yáng)離子的干擾。