离子交换富集回收生活污水超滤膜滤后出水的氨氮

2.1.2pH和阳离子对吸收剂性能的影响

通过以上的实验,初步排除弱酸树脂作为吸收剂,对强酸树脂、天然沸石和改性沸石的吸收性能作进一步研究。pH对强酸树脂、天然沸石和改性沸石的吸收量的影响见图3(a),pH范围设定为2~12是为了说明离子吸收剂的吸收机理。pH为6~8时,吸收量最大;pH较低时,H+与NH+4竞争导致吸收能力降低;pH较高时,氨氮主要以NH3形式存在,离子交换剂吸收能力急剧下降。

由于污水中不可避免地存在钙、镁等,在低氨氮的水中这些阳离子的存在会对氨氮的吸收产生竞争,需要研究其对于氨氮吸收的影响[12,19],阳离子对吸收的影响结果见图3(b)。由于阳离子(Ca2+)的存在,强酸树脂和改性沸石的吸收量都减小,天然沸石的吸收量变化较小甚至有少量增加,这表明天然沸石对氨氮有选择性吸收。而改性沸石经过加热后总的吸收量比天然沸石虽然有增加,但氨氮吸收能力并没有提高,由此来看加热进行沸石改性是不经济的。

2.1.3不同吸收剂的氨氮吸收动力学拟合

对氨氮的去除表现为快速吸收、缓慢平衡的特点,见图4。利用动力学模型对强酸树脂、天然沸石和改性沸石的氨氮吸收情况进行拟合,拟合结果如表3所示,可见强酸树脂的氨氮吸收动力学过程更接近伪一级反应,而2种沸石的氨氮吸收动力学过程可以视作为二级反应。对氨氮的吸收速率常数,强酸树脂大于天然沸石,天然沸石大于改性沸石。

2.2动态吸收柱实验

2.2.1阳离子对动态吸收解吸的影响

比较阳离子存在对强酸树脂、天然沸石和改性沸石的动态吸收解吸特性的影响。如图5(a)所示,吸收过程中,阳离子的存在使树脂的穿透体积从350BV减小到180BV(bedvolume,BV,指柱子里填充的吸收剂体积),吸收容量明显减小,表明树脂对氨氮的选择性差。

阳离子的存在对天然沸石的吸收影响不大,其穿透体积保持在100~130BV,表明天然沸石对氨氮的选择性较好。改性沸石的穿透体积368BV减小到80~110BV(该值与天然沸石的值接近),吸收容量明显减小,表明改性沸石对氨氮的选择性差,进一步证实了加热改性增加的吸收容量并不选择吸收氨氮,对于含有钙镁等二价离子的低浓度氨氮污水,加热改性沸石只会导致成本的增加,而不会改善沸石对氨氮的吸收。

解吸实验结果如图5(b)所示,离子树脂的解吸速率较快,阳离子的存在使其吸收量减小,相应的解吸体积也从28BV减小到12BV,出水中氨氮浓度也减小;天然沸石的解吸缓慢,阳离子对天然沸石的解吸影响较小;改性沸石的解吸与天然沸石一样缓慢而且难以解吸完全,同时阳离子的存在使得改性沸石的解吸液中氨氮浓度降低。上述结果表明,对于含有阳离子的低浓度氨氮污水,采用沸石吸收解吸富集回收氨氮时,加热改性缺乏必要性支持。

2.2.2不同水样的动态吸收解吸

基于2.2.1的实验,选择强酸树脂和天然沸石进行实际膜浓缩后出水的氨氮动态吸收、解吸实验。填充12cm高的强酸树脂和天然沸石,进水为实际污水经过超滤膜浓缩反应器去除有机物后的出水(离子组成见表2),吸收穿透实验之后进行解吸实验。

解吸液为10g˙L-1的NaCl溶液。将氨氮、氨氮+硬度及实际膜出水3种水样在天然沸石和强酸树脂为吸收剂的氨氮动态吸收解吸结果一起比较,见图6。

对于实际膜出水,2种离子交换柱的穿透体积均为110BV左右,继续进水,强酸树脂柱的出水氨氮浓度急剧增大,并且出水浓度大于进水浓度,这是由于进水中其他阳离子对氨氮的解吸作用[19]。解吸时,8BV解吸液就可以将强酸树脂柱解吸完全,而出水氨氮浓度最高仅为140mg˙L-1,同样天然沸石的最高解吸出水氨氮浓度也仅为180mg˙L-1,远低于模拟废水的两组实验(分别为1200~1600mg˙L-1和400~600mg˙L-1),也远低于其他文献中的解吸液浓度[18]。

天然沸石的解吸依然缓慢,经过24BV后出水中的氨氮仍然达到57.2mg˙L-1,难以解吸完全。以上结果表明:强酸阳离子交换树脂有较高的吸收容量,但是对阳离子的选择性差,水中存在其他阳离子时,氨氮的吸收效果明显减小;由于强酸树脂对阳离子的吸收主要是离子交换作用,解吸容易,当水中其他阳离子较少时可以实现对氨氮的富集回收。

天然沸石的交换容量虽然小于强酸阳离子交换树脂,但对氨氮有选择吸收性,受其他阳离子影响小;由于天然沸石解吸困难,无法实现氨氮的富集回收,天然沸石也难以完全再生。总之,为了实现氨氮的富集回收,有以下可行的方法:一是提高离子交换树脂的选择性;二是降低天然沸石的再生难度;三是研发适当的预处理技术消除杂质阳离子的干扰。

3结论

1)在低氨氮浓度(5~50mg˙L-1)下,吸收容量随着氨氮浓度增大而增大,且主要与离子交换剂的类型有关,其中强酸树脂、改性沸石和天然沸石的去除率均能达到90%左右。

2)随着pH的变化(2~12),强酸树脂、改性沸石和天然沸石的吸收容量均先增大后减小,pH为6~8时最大,适用于生活污水的一般pH条件。

3)钙、镁的存在对天然沸石吸收的抑制小于强酸树脂和改性沸石,即天然沸石对氨氮有更好的吸收选择性。动态吸收实验中3种吸收剂的穿透体积分别由128BV升到160BV,352BV降到200BV,368BV降到110BV。

4)强酸树脂的解吸比沸石容易,改性沸石和天然沸石很难完全解吸。为了实现氨氮的富集回收,需要找到一种有高氨氮选择性同时易于再生的离子交换剂,或者研发适当的预处理技术消除杂质阳离子的干扰。

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