新型IEF西湖入湖溪流脱氮除磷试验研究

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杭州西湖已经列入世界文化自然遗产,但是由于湖水总氮浓度超标而被列为劣 V类水体。降低西湖入湖溪流氮磷通量是提升西湖水质指标的有力措施之一,具有良好的现实应用价值和研究意义。  本论文开展新型阴离子生物质离子交换纤维(简称LSIEF-II和LSIEF-III)吸附去除水中氮磷的模拟试验研究,研究其氮、磷吸附效果,并考察多种环境因素对氮、磷吸附效果的影响,确定最佳吸附条件,并对其吸附再生工艺进行了试验研究。同时,在最佳吸附条件下,考察了新型阴离子交换纤维对西湖入湖溪水的脱氮除磷效果,以利于实际应用。此外,根据吸附热力学和动力学模型对数据进行拟合,得到相应速率常数,可以为反应器的设计和污水处理装置的运行提供基础信息,对于技术应用具有重要实际意义。本论文得到如下结论:  (1)对自主制备的 LSIEF-II型生物质离子交换纤维进行热重分析,表明其在低温时热稳定性好,适合用于西湖入湖溪流的脱氮除磷实际应用;对其进行XPS分析,表明其主要为季胺基阴离子交换纤维。  (2)通过LSIEF-II型生物质离子交换纤维对PO43-进行静态吸附试验,研究结果表明:pH=5-9,吸附剂投加量为3 g/mg(P)时,PO43-的吸附效果最好,去除率可达95%以上;由吸附动力学曲线可知,在30min左右该吸附过程就已基本达到平衡,表明是一个快速的物理吸附过程,伪二级动力学模型能很好的描述该离子交换纤维吸附PO43-的动力学行为;Langmuir模型能更好的描述该吸附过程,属于单分子层吸附,其最大吸附容量为0.506 mmol/g。  (3)LSIEF-II型生物质离子交换纤维进行动态吸附试验,吸附柱填料高度和过柱流速对水体脱氮效果具有明显的影响。当填料高度分别为10 cm、15 cm、20 cm时,NO3-的穿透时间分别为10.466 h、11.728 h、15.067 h,吸附饱和时间分别为13.6 h、18.3 h、23.4 h;TN的穿透时间分别为8.593 h、11.761 h、18.029 h,吸附饱和时间分别为14.4 h、9.4 h、6.9 h。此外,在吸附柱填料高度为10 cm的条件下,随着流速增大,溶液在床层中停留时间减少,吸附剂吸附效率降低,即增加过柱流速不利于硝酸盐氮的去除。过柱流速分别为10 mL/min、15 mL/min、20 mL/min时,NO3-的穿透时间分别为10.466 h、5.935 h、2.291 h,吸附饱和时间分别为14.4 h、9.2 h、6.3 h;TN的穿透时间分别为8.593 h、5.972 h、2.675 h,吸附饱和时间分别为14.4 h、9.4 h、6.9 h。同时可以看出:新型吸附剂对TN的去除主要是通过对硝酸盐氮的去除得以实现的。  (4)LSIEF-II型生物质离子交换纤维吸附再生工艺研究表明:HCl溶液是最佳的再生剂,0.1 mol/L是最佳浓度,解吸率达84%,再生五次后,吸附剂的吸附容量仍能达到原吸附量的65%左右。  (5)初步探索采用自由基聚合反应制备出LSIEF-III型生物质离子交换纤维,其最佳工艺条件为:K2S2O8作为引发剂,三甲胺作为胺化试剂,第一段反应温度为50℃,时间为2 h,单体用量为3 mL,引发剂用量为0.3 g;制备出的产品脱氮性能最好,其对NO3-的去除率可高达84.2%;SEM分析表明产品表面比较光滑、有序,丝状结构比较明显并有堆积的现象,且有些许的小孔;由红外光谱及全元素分析可以表明产品中已成功引入胺基基团。
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