离子交换和电吸附去除-富集低浓度氨氮研究

作     者：王志杰 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王凯军

授予年度：2017年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：低浓度氨氮 去除-富集 离子交换 电吸附 离子选择性 

摘      要：根据可持续发展的理论与实践,人们越来越认识到未来污水处理厂将作为资源生产工厂。生活污水蕴含的大量能源和营养物质,但是,以往由于污水流量大、污染物浓度低而缺少经济有效的回收方法,目前,各国研究者提出和探索富集浓缩碳源的技术路线使能源、资源的回收成为可能。本论文基于新开发的膜混凝反应器新型污水资源化技术路线,提出膜后出水通过离子交换和电吸附去除-富集氨氮的技术。论文研究了离子交换法(IE)、膜电吸附(MCDI)和膜电吸附+离子交换(MCDI+IE)组合工艺等3条去除-富集低浓度氨氮技术的可行性。首先,通过实验比较了天然沸石、改性沸石、弱酸性型阳离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂对氨氮的吸附量,筛选出天然沸石和强酸树脂为离子交换柱的吸附剂。天然沸石和强酸树脂的动态解吸富集实验表明,强酸树脂解吸更容易,完全解吸仅需要解吸液8 BV而沸石24 BV后仍无法解吸完全。但对于强酸树脂,污水中的钙镁离子会抑制其吸附能力,动态实验中穿透体积从352 BV降到180 BV。其次,为解决钙镁离子对强酸树脂吸附能力的抑制问题,对MCDI单元吸附离子过程的选择性能进行研究。循环MCDI实验发现钙镁离子被优先吸附,经过三个吸附周期,进水电导率从1450 us/cm降到800 us/cm,对应的氨氮去除率为35%而钙镁去除率达到65%,水中氨氮的比例从20%增加到40%。建立MCDI+IE组合工艺去除-富集氨氮,MCDI预处理可以减少钙镁离子对IE去除-富集氨氮过程的干扰。在同样的树脂量情况下,与单独的IE工艺相比,MCDI+IE组合工艺的处理能力提高一倍多,同时树脂再生时可以多回收63%的氨氮。最后,在此基础上探索了MCDI技术单独去除-富集氨氮的可行性。利用MCDI单元解吸再生过程可以实现电极上吸附氨氮的富集,与IE解吸富集液相比,MCDI富集液中不含有高浓度的钠离子,降低富集液后续的处理难度,是未来简单而高效的氨氮去除-富集方式。从大规模应用于污水中氨氮去除-富集的角度来看,MCDI由于离子选择性有限、吸附能力不高等问题,导致该技术经济成本较高;MCDI+IE组合工艺综合了MCDI离子选择性和IE技术成熟的优势,但系统组成复杂且MCDI经济成本高;而IE技术成熟,单位设备投资在可接受的范围。