離子交換工藝處理微污染黑臭水的性能研究

肖嬌媚，李丹霓，周金艷，王 靜，黃 聰，佘 健，江雨晴，任曉玲

(1.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070；2.中南安全環(huán)境技術研究院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

1 引言

我國水環(huán)境現(xiàn)狀嚴峻，目前國內(nèi)295座地級及以上城市共排查出黑臭水體1811個[1]。隨著《水污染防治行動計劃》等政策的出臺，黑臭水體治理取得一定成效，但仍有大部分水體呈微污染狀態(tài)[2]。而現(xiàn)有的黑臭水體處理技術對氮、磷等污染物去除效果并不理想[3]。此外，我國除磷主要使用化學除磷，該技成本高，且污泥處理過程中會影響硝化反應[4]。因此，急需研究一種微污染黑臭水處理技術，實現(xiàn)經(jīng)濟高效脫氮除磷。

綜上，本文采用基于樹脂吸附能力的離子交換技術進行實驗，以靜態(tài)實驗研究樹脂投加量和吸附時間對樹脂脫氮除磷性能的影響，確定最佳運行參數(shù)；以動態(tài)實驗考察同步脫氮除磷效果；以再生實驗確定樹脂最優(yōu)再生次數(shù)及再生時間，為離子交換樹脂系統(tǒng)的運行提供參數(shù)基礎。

2 材料及方法

2.1 實驗用水及水質(zhì)

2.2 實驗裝置

本文離子交換樹脂柱進行動態(tài)實驗和再生實驗。樹脂柱為有機玻璃材質(zhì)，直徑25 mm，高度200 mm，交換樹脂填充體積20 mL。進水方式為蠕動泵進水，微污染黑臭水或再生液自下而上流出離子交換柱，同時設置布水設施以減少樹脂損失、保證布水均勻。靜態(tài)實驗主要采用多個250mL錐形瓶，材質(zhì)為有機玻璃，瓶中加入離子交換樹脂及待處理模擬黑臭水。

2.3 實驗材料

本實驗選用樹脂為D296離子交換樹脂，購自廊坊森特化工有限公司，其為大孔強堿性樹脂，外觀呈白色不透明狀，功能基為-N(CH3)3OH，含水量55%左右，濕視密度和濕真密度分別約0.7 g/mL和1.08 g/mL，粒徑在0.315～1.25 mm之間。

2.4 實驗方法

2.4.1 預處理實驗

為避免新樹脂柱中雜質(zhì)影響水質(zhì)，對其進行預處理。預處理順序為：食鹽水處理、稀NaOH溶液處理和稀HCl溶液處理、堿洗。清洗溶液質(zhì)量濃度分別為10%、4%和5%，處理時間分別為20 h、4～8 h和4～8 h[18]。樹脂浸泡處理結(jié)束后，置于60 ℃烘箱烘干。

2.4.2 靜態(tài)實驗

為了評估樹脂投加量和吸附時間對離子交換樹脂系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響，在250 mL的錐形瓶中進行批次實驗，作為后續(xù)實驗的條件基礎。對樹脂進行預處理后將樹脂、溶液依次加入錐形瓶中，再將所有錐形瓶置于恒溫振蕩器中，控制溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速120 r/min。靜態(tài)實驗具體設計如下。

2.4.2.1 單一離子影響因素實驗

2.4.2.2 氮磷共存吸附實驗

2.4.3 動態(tài)實驗

2.4.4 再生實驗

2.5 分析方法

3 結(jié)果與討論

3.1 靜態(tài)實驗

3.1.1 單一離子影響因素實驗

圖和TP的去除率隨樹脂投加量變化曲線

3.1.2 氮磷共存吸附實驗

圖4 樹脂對和TP的去除率隨時間變化曲線

3.2 動態(tài)實驗

利用離子交換樹脂柱進行實驗，研究D296樹脂的動態(tài)吸附效果，產(chǎn)水量與出水污染物濃度變化情況如圖5所示。

圖5 樹脂動態(tài)脫氮除磷效果

3.3 再生實驗

圖6 出水污染物隨時間變化曲線

樹脂再生三次的水處理效果如圖7所示，不同再生次數(shù)后樹脂吸附氮磷元素的穿透體積和再生率如表1所示。

圖7 再生次數(shù)對樹脂脫氮除磷的影響

表1 不同再生次數(shù)下樹脂脫氮除磷的穿透體積和再生率

4 結(jié)論

(1)單一離子影響因素實驗和離子共存吸附實驗的最佳運行參數(shù)均為：投加量=0.5 g/L、吸附時間=150 min。隨著投加量和吸附時間的增加吸附競爭逐漸減弱，最優(yōu)條件下存在競爭吸附現(xiàn)象，但對污染物去除影響不大。