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基于铁泥的磁性水处理材料制备及应用进展

环境科学 2022年第1期43卷 26-36页

作者：曾辉平翟龙雪李冬张杰北京工业大学建筑工程学院水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124 哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090

近年来,固体废弃物铁泥(赤泥、水处理含铁残渣和富铁污泥)已被广泛用于水环境中污染物的去除,但从水环境介质中分离粉末状铁泥的困难导致其作为水处理材料无法大规模应用,而将铁泥制备成易于分离回收的磁性材料是解决此瓶颈的有效策略之... 详细信息

近年来,固体废弃物铁泥(赤泥、水处理含铁残渣和富铁污泥)已被广泛用于水环境中污染物的去除,但从水环境介质中分离粉末状铁泥的困难导致其作为水处理材料无法大规模应用,而将铁泥制备成易于分离回收的磁性材料是解决此瓶颈的有效策略之一.根据国内外现有铁泥基磁性材料的研究,总结了铁泥基磁性材料的制备方法,包括热分解法、水热与溶剂热法、共沉淀法、还原焙烧法和碳化法等一系列方法,并指出目前常用的制备方法为热分解法、水热与溶剂热法和共沉淀法.另外,还归纳了这些磁性材料作为吸附剂和催化剂在水处理中的性能和应用.总体来看,铁泥基磁性材料可以较好地吸附水中的重金属和有机污染物,主要的吸附机制为络合作用、静电作用、还原、阳离子交换和沉淀.作为催化剂可以通过产生强氧化性物质SO^(-)_(4)·和·OH,来高效氧化降解有机污染物.虽然目前已经有很多关于铁泥基磁性材料制备和应用的研究,但由于原材料铁泥含有较多杂质,所以由铁泥制备的磁性材料本身也有一定的杂质.因此,未来仍需加强对铁泥基磁性材料安全性的研究,以此来进一步确保其可作为环境友好型材料用于水环境修复.

关键词：铁泥磁性材料吸附催化污染物

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氨氮和天然有机物对滤柱铁锰净化性能的影响

哈尔滨工业大学学报 2023年第2期55卷 1-8页

作者：张杰张朝祥李冬郑纪芳曾辉平水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室(北京工业大学) 北京100124 城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150090

为探究氨氮和天然有机物对滤柱铁锰净化性能和所需滤层厚度的影响,针对受铁锰氨天然有机污染(TFe 4.7~5.4 mg/L,Mn(Ⅱ)1.1~1.3 mg/L,NH_(4)^(+)-N 1.4~1.8 mg/L,COD_(Mn) 5.9~7.4 mg/L)的地下水,采用模拟生物滤柱在水温14~17℃的条件下... 详细信息

为探究氨氮和天然有机物对滤柱铁锰净化性能和所需滤层厚度的影响,针对受铁锰氨天然有机污染(TFe 4.7~5.4 mg/L,Mn(Ⅱ)1.1~1.3 mg/L,NH_(4)^(+)-N 1.4~1.8 mg/L,COD_(Mn) 5.9~7.4 mg/L)的地下水,采用模拟生物滤柱在水温14~17℃的条件下进行各污染物同层净化试验。试验所用滤柱为除铁锰成熟生物滤柱,利用循环接种和自然挂膜的方法历时79 d完成氨氮和天然有机物同层净化工艺的启动。结果表明,氨氮的存在会使得滤柱Mn(Ⅱ)去除区间下移,对滤柱的铁锰去除能力无显著影响。在溶解氧(DO)充足的条件下,Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和氨氮三者可同时被氧化去除。天然有机物的存在可造成滤层铁锰净化能力下降,高效铁锰去除区间显著下移,净化铁锰所需滤层厚度增加,对氨氮的去除有一定的促进作用。适当的反冲洗不会对成熟滤层的净化性能造成影响。

关键词：地下水铁锰氨氮天然有机物同池净化氧化去除区间反冲洗

常温下CANON反应器中功能微生物的沿程分布

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哈尔滨工业大学学报 2012年第10期44卷 22-27页

作者：刘涛李冬曾辉平张杰哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090 北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124

为研究常温环境中上向流曝气生物滤池型CANON反应器中功能微生物的沿程分布特点,采用扫描电镜对微生物形态进行观测,并基于amoA以及16S rDNA片段的多样性,采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳分析技术(PCR-DGGE)对滤层不同高度的功能... 详细信息

为研究常温环境中上向流曝气生物滤池型CANON反应器中功能微生物的沿程分布特点,采用扫描电镜对微生物形态进行观测,并基于amoA以及16S rDNA片段的多样性,采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳分析技术(PCR-DGGE)对滤层不同高度的功能微生物进行群落结构分析,通过分子克隆法进行种属鉴定及系统发育分析.结果表明:反应器内微生物形态多样,其中优势菌为0.2～1.0μm的球形及椭球形菌;滤层500 mm以下的氨氧化细菌种类和数量远远高于滤层上半部分,而厌氧氨氧化菌种类单一,其数量沿滤层自上而下有增强的趋势;反应器中检测到的氨氧化细菌为亚硝化球菌属(Nitrosococcus)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas),而厌氧氨氧化菌与Candidatus Kuenenia stuttgariensis的相似度高达98%.基于功能微生物的种属特征及沿程分布特点,可以有针对性地改善功能分区,改变滤料材质,从而增强反应器的脱氮效果及抗冲击能力。

关键词： CANON反应器氨氧化细菌厌氧氨氧化菌系统发育群落分布扫描电镜

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低温高铁锰氨氮地下水生物同池净化

环境科学 2017年第12期38卷 5097-5105页

作者：李冬曹瑞华杨航王刘煜张杰曾辉平北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090

为实现低温(5~6℃)高铁锰氨氮[TFe 9.0~12.0 mg·L^(-1)、Fe(Ⅱ)6.5~8.0 mg·L^(-1),Mn(Ⅱ)1.9~2.1 mg·L^(-1),NH_4^+-N 1.4~1.7 mg·L^(-1)]地下水生物同池净化,以中试模拟滤柱在某水厂进行了实验研究.结果表明,出水总铁在启动之初即能合格,出水氨氮和锰分别在72 d和75 d实现净化.工艺启动周期受培养温度和原水水质影响较大.滤速越大,锰的极限去除量越低,滤速≥1.0 m·h^(-1)时,锰的极限去除量为3.0 mg·L^(-1).锰是滤速提升的限制因素,工艺极限滤速是4.5m·h^(-1).滤速≤6.0 m·h^(-1)时,氨氮的极限去除量为1.5 mg·L^(-1),且不受滤速影响,溶解氧(dissolved oxygen,DO)不足导致工艺对更高浓度氨氮净化失败.DO充足的条件下,工艺净化所需滤层厚度随锰和氨氮浓度增加而增厚.滤速增大会导致铁锰氨氧化去除区间向滤层深处位移,发生"锰"溶出现象.进一步分析表明,铁和氨氮在滤层内可同步氧化去除;锰的高效氧化去除区间与铁和氨氮的高效氧化去除区间存在明显分级.

关键词：低温高铁锰氨氮地下水同池净化启动氧化去除区间滤速滤层厚度

厌氧氨氧化颗粒污泥的长期保藏及快速活性恢复

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环境科学 2021年第6期42卷 2957-2965页

作者：李冬刘名扬张杰曾辉平北京工业大学城市建设学部水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124 哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090

在4℃且无基质的条件下,将厌氧氨氧化颗粒污泥保藏230 d之后进行活性恢复,探究添加葡萄糖和丙酸钠两种有机碳源对于快速活性恢复的影响.经过230 d的长期保藏,厌氧氨氧化菌活性为0.013 g·(g·d)^(-1),仅为保藏前的6.02%,且平均粒径为135... 详细信息

在4℃且无基质的条件下,将厌氧氨氧化颗粒污泥保藏230 d之后进行活性恢复,探究添加葡萄糖和丙酸钠两种有机碳源对于快速活性恢复的影响.经过230 d的长期保藏,厌氧氨氧化菌活性为0.013 g·(g·d)^(-1),仅为保藏前的6.02%,且平均粒径为135.05μm,骤降至原来的38.23%,污泥解体、颜色发黑.在活性恢复阶段,R2和R3反应器分别添加葡萄糖和丙酸钠作为有机碳源,恢复结果显示,经过15 d的恢复,R1、R2和R3反应器的PN含量分别达到了126.30、188.86和168.82 mg·g^(-1),厌氧氨氧化菌活性均有所提升,分别达到了0.145、0.185和0.126 g·(g·d)^(-1),其中,添加葡萄糖作为有机碳源的R2反应器厌氧氨氧化菌活性最高,恢复到了保藏前的85.65%,且总氮去除率达到81.61%.第20d时,R1、R2和R3反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径分别为289.81、359.66和314.37μm,表明厌氧氨氧化颗粒污泥的长期保藏不是无法克服的难题,且在恢复阶段添加葡萄糖不仅可以有效提高EPS含量,促进颗粒生长和黏附,而且丰富了厌氧氨氧化的反应途径,使其在恢复阶段与其他细菌的底物竞争中占据优势,更快地恢复活性.

关键词：厌氧氨氧化(ANAMMOX) 长期保藏活性恢复有机碳源反应途径

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基于铁锰泥的除砷颗粒吸附剂制备及其比较

环境科学 2019年第11期40卷 5002-5008页

作者：曾辉平于亚萍吕赛赛李冬张杰北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124 北京市市政工程设计研究总院有限公司北京100082 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090

地下水除铁除锰滤池反冲洗铁锰泥具有良好的除砷效果,但因其粉末形态不易固液分离,本文采用高温烘焙法和包埋法以铁锰泥为原料制备颗粒吸附剂,其中包埋法采用烘干和冻干两种干燥方法制粒.结果表明,3种颗粒吸附剂:高温烘焙颗粒吸附剂(GA... 详细信息

地下水除铁除锰滤池反冲洗铁锰泥具有良好的除砷效果,但因其粉末形态不易固液分离,本文采用高温烘焙法和包埋法以铁锰泥为原料制备颗粒吸附剂,其中包埋法采用烘干和冻干两种干燥方法制粒.结果表明,3种颗粒吸附剂:高温烘焙颗粒吸附剂(GA)、包埋烘干吸附剂(H-GA)和包埋冻干吸附剂(D-GA),表面粗糙,比表面积分别为43.830、110.30和129.18 m^2·g^-1.吸附实验表明,H-GA和D-GA对砷的吸附远大于GA,GA、H-GA和D-GA最大吸附量分别为5.05、14.95和13.45 mg·g^-1.Langmuir模型能更好地拟合H-GA和D-GA对砷的吸附,Freundlich模型更好地拟合GA的吸附过程,准一级动力学和准二级动力学模型均能拟合3种吸附剂的动力学数据.酸性环境更有利于砷的吸附.包埋法制备的颗粒吸附剂H-GA和D-GA保留了铁锰泥原始结构,比表面积也远大于GA,因此吸附效果比GA好.两种干燥方式烘干和冻干对吸附没有明显影响.

关键词：铁锰泥壳聚糖制粒砷吸附

厌氧氨氧化耦合反硝化快速启动CANON工艺

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中国环境科学 2017年第4期37卷 1307-1314页

作者：李冬杨巧云曾辉平张杰北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室黑龙江哈尔滨150090

在SBR反应器中.先采用低基质浓度配水启动稳定的厌氧氨氧化耦合反硝化(SAD),之后在低曝气条件下以模拟生活污水富集氨氧化细菌(AOB),启动CANON工艺.基于对反应器内脱氮性能和不同阶段功能菌动力学活性的分析,系统阐述了影响CANON工艺启... 详细信息

在SBR反应器中.先采用低基质浓度配水启动稳定的厌氧氨氧化耦合反硝化(SAD),之后在低曝气条件下以模拟生活污水富集氨氧化细菌(AOB),启动CANON工艺.基于对反应器内脱氮性能和不同阶段功能菌动力学活性的分析,系统阐述了影响CANON工艺启动与稳定运行的影响因素.结果表明此启动方式不仅缩短了亚硝化启动时间,同时缩短了ANAMMOX菌对有机环境的适应时间,经过60d成功启动了CANON工艺并应用于处理生活污水,反应器ANR超过了93%.反应器较短的周期(4h),使得ANAMMOX菌和异养菌反硝化菌活性始终保持在合理范围内,μNH_4^+-N/μCOD比值始终大于1.0.异养反硝化菌对COD的降解反应,使反应器内pH值提高,同时反应周期间初期和末期游离氨(FA)始终处于对NOB的抑制水平,也是实现稳定亚硝化的重要原因.

关键词：厌氧氨氧化 CANON工艺反硝化亚硝化生活污水

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高铁锰氨氮地下水净化试验及氧化动力学

中国环境科学 2017年第11期37卷 4140-4150页

作者：李冬曹瑞华曾辉平张杰北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124 哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室黑龙江哈尔滨150090

在水厂,以中试模拟滤柱开展了高铁锰氨氮(8~10℃,TFe 6~14mg/L,Mn 0.8~1.5mg/L,NH_4^+-N 2.0~3.0mg/L)地下水净化试验及氧化动力学分析.结果表明,一级曝气+一级过滤、一级曝气+两级过滤工艺均由于溶解氧(DO)不足,对高铁锰氨氮地下水净... 详细信息

在水厂,以中试模拟滤柱开展了高铁锰氨氮(8~10℃,TFe 6~14mg/L,Mn 0.8~1.5mg/L,NH_4^+-N 2.0~3.0mg/L)地下水净化试验及氧化动力学分析.结果表明,一级曝气+一级过滤、一级曝气+两级过滤工艺均由于溶解氧(DO)不足,对高铁锰氨氮地下水净化失败;曝气生物滤池由于曝气对水流造成紊动,净化效果最差;曝气生物滤池+两级过滤工艺可实现高铁锰氨氮地下水净化,但是运行滤速仅有6.0m/h;两级曝气+两级过滤工艺净化效果最优,可实现高铁锰、氨氮地下水(8~10℃,TFe 17.66mg/L,Mn 1.71mg/L,NH_4^+-N 3.37mg/L)净化,一级和二级滤速分别可达13.25m/h和12.75m/h,且在低温下亦适用,可实现低温高铁高锰高氨氮(5~6℃,TFe 9.72mg/L,Mn 3.29mg/L,NH_4^+-N 3.44mg/L)地下水的净化,一级和二级极限滤速分别为10.0m/h和8.0m/h.氧化动力学分析表明,铁氧化去除遵循一级化学氧化动力学规律,其氧化动力学常数为(1.02~1.18)×10.氨氮和锰的去除均遵循零级酶促反应动力学规律,其氧化动力学常数分别为(0.15~0.83)×10^(-1)和(0.31~1.20)×10^(-1).除铁除锰生物滤池中,铁的氧化去除速率最快,优先完成去除,锰和氨氮完成氧化去除的先后顺序受基质浓度大小影响较大.

关键词：高铁锰氨氮地下水溶解氧两级净化滤速氧化动力学

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低温地下水净化工艺中氨氮去除性能及机制

环境科学 2021年第10期42卷 4826-4833页

作者：李冬刘孟浩张瑞苗曾辉平张杰北京工业大学城市建设学部水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室北京100124 哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090

在东北某自来水厂,以中试滤柱开展了低温(5~6℃)高铁锰氨[Fe(Ⅱ)11.9~14.8 mg·L^(-1)、Mn(Ⅱ)1.1~1.5 mg·L^(-1)和NH4+-N 1.1~3.2 mg·L^(-1)]净化工艺实验,以探究氨氮去除途径与生物滤柱的除氨性能.结果表明,滤柱在启动初期就对氨氮... 详细信息

在东北某自来水厂,以中试滤柱开展了低温(5~6℃)高铁锰氨[Fe(Ⅱ)11.9~14.8 mg·L^(-1)、Mn(Ⅱ)1.1~1.5 mg·L^(-1)和NH4+-N 1.1~3.2 mg·L^(-1)]净化工艺实验,以探究氨氮去除途径与生物滤柱的除氨性能.结果表明,滤柱在启动初期就对氨氮具有良好的去除效果,通过理论分析与实验验证可知,TNloss是由铁氧化物对氨氮吸附造成,氨氮转化为硝氮的过程是生物硝化作用.氨氮质量浓度提高过程中,由于吸附位点有限,铁氧化物对氨氮的吸附量稳定在1 mg·L^(-1)左右,氨氮氧化去除量不断增加,其中在滤柱上部滤层的去除量远大于下部滤层,DO是限制氨氮氧化去除量进一步增加的限制因素.滤速提升过程中,铁氧化物对氨氮吸附时间缩短,吸附量有所减少,空床接触时间(empty bed contact time,EBCT)缩短,使得单位体积滤料中硝化菌硝化去除的氨氮减少,需要增加滤层厚度以提升氨氮去除效果.

关键词：地下水处理高铁锰氨氮生物硝化吸附