污水处理厂二级出水溶解态氮对吸附除磷的影响及其机理研究

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水中的共存基质是影响吸附除磷效果的重要因素,目前相关研究较多关注SO42-、Cl-等共存离子对吸附的影响,而解析溶解态氮对吸附除磷的干扰与机制仍是一个亟待解决的科学问题。本文依据真实水征选取了氨氮、硝氮及多种有机氮作为二级出水可溶性氮代表物,以新型锆系、镧系纳米复合材料和活性炭、离子交换树脂等经典材料作为除磷吸附剂,开展溶解态氮影响吸附除磷规律和机理研究。首先探讨了无机形态的氮对四种吸附剂去除磷的影响规律和机理。结果表明,活性炭靠范德华力吸附,故而在面对各种无机氮影响时表现稳定。NO3-与NO2-直接竞争离子交换位点是影响D201、HZO-201、HLO-201吸附除磷的主要途径,同时能够间接促进HZO-201、HLO-201中金属氧化物位点的吸附,在NO3-/P初始摩尔比由0上升至5的过程中,HZO-201、HLO-201由金属位点贡献的对磷吸附量分别由6.39 mg/g、10.04 mg/g上升至13.08 mg/g、22.79 mg/g。三种无机氮还能通过离子交换与解离平衡来影响体系的p H,其中NH4+对防止复合材料吸附体系的p H增大有明显作用。在混合N共存的复合材料体系中,初始磷浓度影响了磷在双位点上的结合比例,起影响作用的氮形态也会随之改变。随后以常见生化代谢分子为切入点,研究了数种有机氮分子对吸附除磷的影响规律和分子特征间的构效关系。结果表明,氨基酸分子的负电荷结构能与磷竞争树脂骨架上的荷电基团,而正电荷结构通过静电吸引和稳定体系的p H,最多可使材料增加1.37 mg/g的磷吸附量。疏水性强的氨基酸对材料吸附除磷没有明显干扰表现。中等分子和大分子的有机氮对吸附剂除磷主要表现出抑制作用,通过利用N2吸附-脱附法、XPS、XRD等手段进行分析,其影响机制与孔道堵塞、静电作用、干扰金属位点的配位和晶体转换有关。已吸附磷的D201、HZO-201、HLO-201可以用Na OH-Na Cl混合溶液进行再生后循环利用。中分子及大分子有机氮的共存使得HLO-201的吸附量随循环次数增加而下降,经6次循环后的吸附容量损失最大可达21.1%。各类有机氮的共存时D201、HZO-201的循环吸附量均很稳定。最后,本文考察了共存氮对纳米复合材料的固定床吸附的影响,验证了静态实验结果对固定床吸附具备一定的参考性,其中HZO-201柱吸附表现与静态吸附表现一致性高。用数学模型对吸附柱的出水数据进行拟合,Thomas模型对HZO-201的各组实验流出曲线有较好的拟合度。用固定床处理氮磷浓度相似的模拟尾水和实际尾水,其数据具有相似性,初步印证实验室研究对真实尾水的处理具备的指导意义。
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