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树脂-气升式环流耦合反应器的抗氨氮冲击性能

时间:2011-04-23  作者:秩名

论文导读:树脂选择。目前改善抗氨氮冲击负荷的解决方法主要集中在提高污泥浓度方面。本实验采用简易的气升式环流反应器装置(示意图见图1)。抗氨氮冲击,树脂-气升式环流耦合反应器的抗氨氮冲击性能。
关键词:树脂,抗氨氮冲击,气升式环流反应器
 

污水处理系统在生化法氨氮降解环节存在一个共性的问题,即当系统的进水氨氮浓度突然升高时,系统恒定的微生物系统无法承载过大的负荷冲击,造成出水水质氨氮不达标,甚至破坏原有生化系统。目前改善抗氨氮冲击负荷的解决方法主要集中在提高污泥浓度方面,生物活性碳滤池[1]实质上也是增大系统污泥浓度。免费论文,抗氨氮冲击。生物沸石滤池[2]是利用沸石做离子交换剂,利用其对铵离子的吸附交换能力,提高对氨氮的抗冲击负荷能力。沸石对铵离子交换容量通常在0.75mmol/g,强酸性离子交换树脂的交换容量大于3.5mmol/g,因此本实验采用大孔阳离子交换树脂作为离子交换剂,将大幅度提高系统抗氨氮冲击负荷。环流生物反应器能够有效提高溶解氧效率,对氨氮生化去除率高,因此本实验采用自行研制的序批式气升环流生物反应器,与强酸离子交换树脂耦合,利用离子交换作用和微生物生化作用去除氨氮,考察耦合系统对进水氨氮的抗冲击负荷性能。

2实验装置与方法

2.1实验装置

本实验采用简易的气升式环流反应器装置(示意图见图1),其中流化床的壳体由有机玻璃加工而成,高1.5m,摘要两个完全相同的气升式内循环反应器以及模拟原水罐、曝气装置、进出水管道阀门和时间继电器自动控制部分。

抗氨氮冲击

图1气升环流反应器示意图

Fig1Schematic diagram of airlift loop reactor

2.2树脂选择

试验中,所选树脂要在环流反应器中进行环流,因此比重不宜过大,比较了两种常见的强酸型离子交换树脂:732型凝胶树脂和D001大孔离子交换树脂,两者性能相似,但后者有更好的物理及化学稳定性如耐渗磨压力,耐磨损等,及更好的抗氧化性能,且具有大孔结构。通过考察D001型大孔树脂在流化床反应器中的环流状态,其比重适合形成环流。最终选择了D001大孔强酸性阳树脂,其粒度(0.315–1.25)mm≥95%,含水量42–50%,质量全交换容量(干)≥4.30mmol/g,湿视密度0.75–0.85g/ml,湿真密度1.23-1.28g/ml。

2.3试验试剂

试剂:氯化铵,碳酸氢钠,均为化学纯。

树脂:D001-Z大孔强酸性阳树脂,浙江争光实业股份公司。

2.4分析方法

本实验采用的分析方法见下表1。

表1 分析方法

Tab1 Analytical method

 

测试项目 测试方法 测试仪器
COD检测 快速消解紫外测定法 国产连华5B-3COD快速测定仪
NH4 +-N 纳氏试剂分光光度法 岛津UV2450紫外分光光度计
MLSS 重量法 德国sartrius分析天平
DO 直接测量 HACH Hd-30型溶氧仪
pH 直接测量 PHB-3酸度计

2.5试验方法

将两个反应器中接入来自南山污水处理厂的活性污泥,经过闷爆培养后,使两个反应器的工况保持一致,然后将1号反应器中添加树脂,2号反应器作为平行对照(未添加树脂)。根据常规活性污泥法对氨氮降解的污泥负荷 0.03Kg氨氮/Kg.MLSS计算,试验用反应器的氨氮降解总量约为4g,而1Kg树脂对氨氮的理论交换容量约为32g,可以为系统冲击实验预留足够的空间。因此确定1号反应器投加的树脂量为1Kg。改变进水氨氮浓度,分别测试反应器的出水氨氮浓度和COD以及原水pH值,考察树脂对系统抗氨氮冲击负荷的影响。本实验还考察了改变原水pH时两个反应器的氨氮降解效率。

工况设定与工艺条件:反应器循环时间定为121min。排出比约1/4。系统HRT(水力停留时间)为8小时。污泥浓度为4300~4400mg/L。DO为2~3mg/L。系统进水采用模拟污水,COD:300~400mg/L,氨氮:20~50 mg/L,搭配磷、铁、钙等微量元素。

3结果与分析

3.1树脂对系统抗氨氮抗冲击负荷的影响

抗氨氮冲击

图2两个反应器中氨氮降解效率对比

Fig2 Ammonium removal efficiency of two airlift loop reactors

每天配一次原水,改变进水氨氮浓度,连续15天检测原水并测定两个反应器改变进水氨氮浓度之前的出水氨氮浓度,实验结果见图2。可以看出,当系统进水氨氮浓度突然升高时,两个反应器的氨氮降解效率有显著差异。尤其是在树脂没有吸附饱和的初期抗冲击实验,1号反应器的出水效果明显优于2号反应器,表明树脂的存在可以迅速吸附进水中过高的NH4+,比如第4、8、11、14次实验。

试验中1号反应中添加的树脂采用生物再生法,即利用微生物将离子交换剂上吸附的物质解析后直接降解。这种方式的好处是不添加化学解析剂,避免了二次污染的问题,但不足之处是再生速度慢,树脂再生速率跟离子交换反应平衡方程式及生化降解效率有关。在本次试验中,随着冲击次数增多,树脂中积累吸附的NH4+量逐渐增高,树脂来不及充分再生,造成吸附NH4+的能力下降,造成出水氨氮越来越高。免费论文,抗氨氮冲击。这表明系统中具有一定吸附交换容量的树脂如果采用生物再生时,只适宜于短时间的抗临时性冲击,而不适宜于长期性的高氨氮进水处理。树脂的抗冲击负荷大小既与树脂本身的吸附容量有关,也与树脂生物再生的速度相关,关于这部分内容的研究将另文讨论。实验过程中同时检测了两个反应器中COD的降解效率(见图3)。从图中可以看出,树脂的添加对COD降解效率影响不大,这是由于树脂在环流过程难以挂膜,系统污泥浓度基本没有改变。

图3两个反应器中COD降解效果对比

Fig3 COD removal efficiency of two airlift loop reactors

3.2 pH对树脂气升式环流反应器的影响

本实验采用模拟原水,考虑到适宜硝化菌生长的pH是7~8,且进水需要一定的碱度,采用碳酸氢钠来调节进水pH值。免费论文,抗氨氮冲击。根据Green等[3]在生物再生环节采用碳酸氢钠作为缓冲器的做法,采用碳酸氢钠调节pH值对树脂解析铵离子有一定的影响,为此设计了简单的烧杯实验来考察这个影响的效果:称取5份10g的D001大孔树脂,用氯化铵吸附饱和并经去离子水洗涤后,分别加入用盐酸或碳酸氢钠调节的不同pH值下的100ml去离子水中进行解析,在摇床上振摇2小时后,测定解析液中氨氮浓度,结果见表2。

表2 不同pH值下树脂解析效果

Tab2

 

pH 5.61 6.25 7.45 7.89 8.19
解析液浓度mg/L 0 0 3.09 9.68 11.18

可以看出,pH值在大于7以上时,树脂上铵离子逐渐开始解析,根据树脂离子交换平衡式:

R-M++ NH4+R- NH4++M+

如果显著增加M+浓度或有效减少NH4+浓度,在浓度差推动下,离子交换剂上的NH4+发生解析,向溶液扩散,就能够达到离子交换剂再生的目的。免费论文,抗氨氮冲击。其中增加M+浓度需要不断补充系统中游离的金属阳离子,添加碳酸氢钠就能实现这一点。而减少NH4+浓度则主要取决于系统内微生物的活性。免费论文,抗氨氮冲击。因此我们认为,在模拟原水进行试验的过程中,添加碳酸氢钠调整pH值对于实现树脂生物再生非常重要,同时也是保证系统氨氮降解效率的关键。免费论文,抗氨氮冲击。考虑要兼顾到生化降解的效率,系统pH值不能过高,因此图4考察了不同进水pH值下两个反应器的氨氮降解效果,从图中可以看出,pH值在7.5附近时两个反应器的氨氮降解效率都达到最高,在增加pH值则会造成硝化菌硝化能力的降低。

图4 pH对反应器中氨氮降解效率的影响

Fig 4Effect of pH on ammonium removal

4结论

本实验采用D001大孔树脂与气升式反应器耦合进行试验,初步证实了系统具有一定的抗氨氮冲击能力。适宜的进水pH值是影响系统氨氮降解效率和树脂生物再生速率的重要因素。有关树脂的抗冲击负荷能力的确定以及生物再生速率将在下一步实验中进行探讨。


参考文献
[1]张林军,刘晓玲生物活性碳滤池处理微污染源水的效能[J]. 中国给水排水2005:21(12):39-40
[2]汪胜,张玉先,张伟勤等生物沸石滤池处理污染水源水的中试研究[J]. 工业用水与废水 2006:37(2):20-24
[3]Ori Lahav, Michal Green. Ammonium removal usingion exchange and biological regeneration [J]. Water Research,1998,32(7):2019-2028
 

 

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