乙酸钠和碳酸钾强化溶析结晶法处理高浓度硝酸盐废水的研究

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反渗透和离子交换法常用于处理低浓度硝酸盐废水,对这种方法产生的浓度更高的硝酸盐废水进一步处理是行业的技术难题,因此开发处理高浓度硝酸盐废水技术一直是科研人员努力的方向。近年来,溶析结晶法在无机化合物的结晶领域逐渐得到应用,与物化法相比,溶析结晶法可以将目标污染物结晶析出,而非简单的转移或浓缩;相较于生物法处理高浓度硝酸盐废水,溶析结晶法具有无需外加碳源,受低温影响较小且溶析剂可以回收利用的优势,溶析结晶法还具有能耗低、不会造成二次污染等特点。但是采用溶析结晶法单独处理高浓度硝酸盐废水,其去除率较低,采用多级处理还会增加其处理成本。本研究针对反渗透或离子交换工艺产生的高浓度硝酸盐废水,提出了强化溶析结晶处理高浓度硝酸盐废水的技术,主要目的是提高溶析结晶法处理高浓度硝酸盐废水的去除率,促进硝酸盐结晶析出,提供一个可以回收再利用废水中硝酸盐的工艺方案。基于此,本文进行了以下几个方面的研究:筛选强化剂;不同药剂对溶析结晶处理高浓度硝酸盐废水的强化效果;利用无水乙酸钠、无水碳酸钾为强化剂强化溶析结晶法去除废水中高浓度硝酸盐的影响因素(无水乙醇加入量、强化剂投加量、Ca2+浓度、温度、p H、搅拌速率);对于实验主要影响因素进行响应面优化Box-Behnken试验设计确定去除废水中高浓度硝酸盐的最佳工艺条件,并在优化条件下将两工艺进行了对比分析。本研究的主要结论如下:(1)无水乙酸钠对基于无水乙醇的溶析结晶法的处理高浓度硝酸盐具有强化作用。无水乙醇、Ca2+和无水乙酸钠对废水中高浓度硝酸盐去除具有协同作用,碱性条件下硝酸盐氮的去除率能够达到较好的效果,酸性条件下废水中OH-含量减少,导致生成的Ca(OH)2量减少,降低硝酸盐去除率,搅拌速率对处于稳定区的高浓度硝酸盐去除无明显效果。基于10 m L NO3--N质量浓度为49.4 g/L的硝酸盐溶液,无水乙醇加入量为80m L,Ca2+质量浓度为1.00 g/L(氧化钙),操作温度为40℃,溶液p H值为13时,后投入无水乙酸钠1.8 g,为实验的最佳条件,此时NO3--N去除率可达81.80%。响应面优化BBD试验设计得出的最佳工艺条件为:无水乙醇加入量:90 m L;无水乙酸钠投加量:2.1000 g;p H:9.5;在最佳条件下给出NO3--N去除率的预测值为82.23%,该最佳工艺条件是基于10 m L NO3--N质量浓度为49.4 g/L的硝酸盐溶液得出的。按照优化后的条件重复试验进行可操作实验验证所得结果为81.57%,与模型预测值82.23%非常接近,表示该模型能很好地预测实际表达情况。(2)无水碳酸钾的强化效果也较为明显,可强化提高基于无水乙醇的溶析结晶法的处理高浓度硝酸盐的NO3--N去除率约25个百分点。高浓度硝酸盐的去除率随着无水乙醇加入量的增多先升高后下降,无水乙醇、Ca2+和无水碳酸钾对废水中高浓度硝酸盐去除具有协同作用,Ca2+和CO32-结合生成Ca CO3对去除硝酸盐有很好的效果,温度、p H对无水碳酸钾的强化作用无明显影响,搅拌速率对无水碳酸钾强化溶析结晶法处理的高浓度硝酸盐去除有较大的影响。基于10 m L NO3--N质量浓度为49.4 g/L的硝酸盐溶液,无水乙醇加入量为50 m L,Ca2+质量浓度为0.68 g/L(氧化钙),室温操作,溶液p H值为初始值,后投入无水碳酸钾3.5 g,搅拌速率大于250 rpm,为实验的最佳条件,此时NO3--N去除率可达93%左右。响应面优化BBD试验设计得出的最佳工艺条件为:无水乙醇加入量:54 m L;无水碳酸钾投加量:3.988 g;搅拌速率:287 rpm;在最佳条件下给出NO3--N去除率的预测值为94.49%,该最佳工艺条件是基于10 m L NO3--N质量浓度为49.4 g/L的硝酸盐溶液得出的。按照优化后的条件重复试验进行验证所得结果为93.61%,与模型预测值94.49%非常接近,表示该模型能很好地预测实际表达情况。(3)在优化条件下对比无水乙酸钠和无水碳酸钾的强化效果,得出无水碳酸钾的强化效果高于水乙酸钠,在资源回收方面,无水乙酸钠作强化剂的处理高浓度硝酸盐工艺优于无水碳酸钾作强化剂的工艺。
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