镁改性沸石同步去除水中氨氮和磷的研究

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氮、磷废水的不达标排放,容易导致水体富营养化的出现,水质急剧恶化,从而影响人类正常的生产生活,甚至破坏整个生态系统的平衡。因此,有效控制氮、磷向水体中的排放是控制水体富营养化进程的有效手段。目前,同步脱除水中氮、磷的主要工艺为生物法、化学沉淀法和吸附法。但生物处理工艺基建费用大,运行周期长,运行效果易受水质的pH值、BOD负荷等因素影响,且运行过程中需要不断补充碳源。化学沉淀法容易产生二次污染,沉淀条件难于控制,需要消耗大量的化学药剂,形成的沉淀难于处置。吸附法由于操作简单,条件易于控制,运行稳定,成本低等优点获得了广泛关注。天然沸石由于产量丰富、成本低廉、吸附容量大、对氨氮和磷都有很好的吸附去除效果等原因,成为最佳吸附介质的选择。本文从沸石的改性制备工艺、沸石吸附特性、吸附动力学和吸附等温模型两方面着手进行研究。此外,采用GaBi软件对改性沸石制备过程进行生命周期评价。本文以人造沸石为切入点,进行改性工艺路线的确定以及工艺参数的优化,最终得到优化的改性工艺流程:沸石原样→NaOH浸渍→烘干→MgCl2溶液浸渍→烘干→改性样品。最佳改性参数条件为:NaOH浸渍溶液的浓度为0.5mol/L,MgCl2浸渍溶液的浓度为1mol/L,浸渍温度为80℃C,洗涤完成后样品的烘干温度均选择45℃。将天然沸石按照最佳改性工艺进行改性沸石的制备,制得的改性沸石样品对NH4+-N和P043-的饱和吸附容量分别提高了40.7%和62.7%。改性沸石的单因素影响实验结果表明:改性沸石吸附的最佳pH值条件为7;改性沸石样品在1h内可基本达到吸附平衡;沸石的投加量越大,改性沸石对NH4+-N和P043-的饱和吸附容量越大,但其有效利用率低;NH4+-N和P043-初始浓度越大,温度越高,改性沸石的饱和吸附容量越大。通过对吸附过程进行吸附动力学以及吸附等温模型的回归,得到以下结论:假二级动力学模型可以同时较好的描述改性沸石对水中NH4+-N和P043-的吸附过程,回归得到的NH4+-N和P043-饱和吸附容量值与实验测得的数据较为一致;由颗粒内部扩散模型对数据回归的结果可知,改性沸石对NH4+-N和P043-的吸附过程可明显分为两个阶段,第一阶段为表面吸附和扩散,进行速度较快,第二阶段为颗粒内部扩散阶段,进行速度较慢。Langmuir模型和Freundlich模型对改性沸石吸附NH4+-N和P043-的数据均表现出较高的拟合度,对NH4+-N的拟合效果更加,相关性系数分别可达到0.992和0.991。由Freundlich方程拟合的结果可知,改性沸石对NH4+-N的吸附过程属于优先吸附,而对P043-的吸附过程不属于该类型。由Tempkin方程的拟合结果可知,改性沸石吸附NH4+-N的过程比吸附P043-更容易发生。改性沸石制备过程的生命周期评价指出,耗电设备的使用对温室气体和磷酸盐的排放贡献最大。若能通过其它非耗能手段达到改性目的,可有效降低制备过程对环境造成的影响。
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