离子交换富集回收生活污水超滤膜滤后出水的氨氮

北极星环保网讯:利用离子交换实现生活污水超滤膜滤后出水中低浓度氨氮的富集回收。通过静态实验,考察了pH波动、阳离子存在(Ca2+、Mg2+)和离子吸收剂种类对氨氮回收利用的影响。钙、镁离子显著降低了强酸树脂和改性沸石的氨氮吸收量,而对天然沸石影响较小。

实际生活污水经超滤膜去除碳源后出水的柱式动态实验表明,污水中钙、镁等阳离子的存在极大抑制了强酸树脂的氨氮富集效果,而天然沸石虽然具有吸收选择性,但吸收量低、难以解吸完全。实现膜浓缩出水中低浓度氨氮高效回收利用,需要找到兼备良好选择性和再生性能的吸收剂,或者研发适当的预处理技术消除杂质阳离子的干扰。

关键词低浓度氨氮;离子交换;超滤膜后出水;沸石;树脂

传统污水处理的脱氮工艺基于微生物作用,在去除有机污染物的同时,通过硝化-反硝化耦合过程将氨氮氧化为硝酸根,再还原为氮气去除。该工艺过程虽然可以满足污水的脱氮要求,但一方面面临消耗有机碳源、工艺能耗较高、污泥产生量大、停留时间长、构筑物占地面积大、受温度波动限制等缺点,另一方面,其技术原理的本质是氮元素的去除、而非资源化回收利用。

近年来,以污水资源化为核心的新型水处理概念和工艺被不断提出。MCCARTY等[1]讨论了城市污水厂作为能源输出的可能。VERSTRAETE等[2]提出了“zero-wastewater”概念的上游浓缩工艺,通过有机物厌氧消化最大可能实现生活污水中的能源回收。BATSTONE等[3]提出“源分离-释放-回收”工艺实现生活污水中C、N和P的回收。

一种潜在的可持续的“上游浓缩”污水处理思路是用膜将污水中有机物分离浓缩,高COD浓缩液进行厌氧消化回收能源,另一端含氨氮的出水利用离子交换过程实现氮素的富集回收[4-5]。由于膜组件的预处理可以避免固体悬浮物、有机物等造成的堵塞等问题,因此该资源化处理思路可以最大限度的发挥离子交换柱的吸收能力,实现氮素的回收利用。

前期研究[6]表明,生活污水经过超滤膜浓缩处理后,出水氨氮相对较低、存在杂质离子,是限制氮素回收利用的主要因素。为了尽可能回收利用污水中蕴含的资源(氮素),本研究探索基于离子交换法去除、回收利用生活污水中的氨氮,旨在促进水回用同时实现氨氮的富集回收,通过对离子交换富集回收氨氮方法的经济性进行初步分析,为新的污水处理方式选择提供参考。

沸石和阳离子交换树脂是常见的氨氮吸收剂[7-9](考虑到本研究过程同时发生物理吸附和化学离子交换,本文统一使用吸收)。研究表明,氨氮吸收的影响因素包括pH、初始浓度、其他阳离子及吸收剂用量等[10-20]。针对吸收饱和后吸收剂的再生回用,有研究者通过动态吸收柱实验研究氨氮穿透曲线和吸收性能,并探究其解吸特性[21-22]。

相关研究表明,不同解吸液、物料流速等因素会对再生液中氨氮的富集效果产生影响[23]。本研究首先通过静态批式实验筛选较优离子吸收剂,并分析pH波动等因素对氨氮回收利用的影响。之后,通过动态吸收柱实验研究水中钙和镁离子对离子交换吸收过程、以及解吸后富集效果的影响,探索讨论超滤膜浓缩后出水中低浓度氨氮回收利用的技术路线。

1材料与方法

1.1静态批式实验实验用离子交换剂包括001×7强酸树脂、D113弱酸树脂(辽宁锦州新科水处理设备厂)、天然沸石(河北赤城县)、改性沸石(天然沸石在85~95℃、100g˙L-1氯化钠溶液条件下经过2h改性处理)。各离子交换剂的基本性质见表1。

表1离子吸收剂的性质

通过静态批式实验,考查各离子吸收剂在不同氨氮质量浓度(5、10、20和50mg˙L-1)、不同pH(2~12)条件下的吸收量,筛选最优吸收剂。吸收量(q1)测定方法如下:称取离子交换剂置入250mL锥形瓶,同时加入100mL氨氮溶液C0,经过150r˙min-1摇床振荡48h处理后,测定此时氨氮浓度Ct,计算吸收量q1。其计算式如下:

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