【正文】 ........................... 33 動力學(xué)方程擬合綜合分析 ....................................... 34 第六章 結(jié)論與建議 ...................................................... 35 結(jié)論 ................................................................ 35 活性炭吸附去除氨氮的實(shí)驗(yàn)研究 .................................. 35 多孔陶瓷顆粒吸附去除氨氮的實(shí)驗(yàn)研究 ............................ 35 硅藻土吸 附去除氨氮的實(shí)驗(yàn)研究 .................................. 36 建議 ................................................................ 36 參考文獻(xiàn) ................................................................ 37 致謝 .................................................................... 39 1 第一章 緒論 我國水資源現(xiàn)狀 水資源短缺 眾所周知，水是地球上最重要的自然資源，是人類賴以生存的基本條件，是所有生物的結(jié)構(gòu)組成和生命活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 活性炭，多孔陶瓷，硅藻土，吸附，氨氮 II STUDIES ON AMMONIANITROGEN REMOVAL FROM WATER WITH ACTIVATED CARBON AND POROUS CERAMIC PARTICLES AND DIATOMITE ABSTERACT Along with the speeding up of urbanization and industrialization and the continuous improvement of people39。在 pH 值對吸附效果的影響實(shí)驗(yàn)中，酸性和堿性條件對吸附劑活性炭、多孔陶瓷顆粒和硅藻土均有改性作用，氨氮去除率均高于中性條件。同時探尋吸附劑活性炭、多孔陶瓷顆粒和硅藻土的吸附機(jī)理和吸附等溫線，進(jìn)行動力學(xué)方程的擬合。 本論文中所使用的水樣是實(shí)驗(yàn)室自配的氯化銨溶液模擬氨氮廢水，采用納氏試劑光度 法研究吸附劑活性炭、多孔陶瓷顆粒和硅藻土對模擬氨氮廢水的吸附效果。 我國的水體污染主要是由于各種未經(jīng)處理或只經(jīng)過簡單處理的含有有毒有害物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水排入天然水體造成的。 I 活性炭、多孔陶瓷顆粒、硅藻土吸附去除水中氨氮的研究 摘 要 隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，人民生活水平的不斷提高，我國用水需求正在不斷增大；同時我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和工業(yè)的不斷發(fā)展，使得水資源保護(hù)壓力越來越大。水資源短缺和水體污染是目前我國環(huán)境保護(hù)中亟待解決的問題。水體污染主要分為水體富營養(yǎng)化、氨氮污染以及重金屬污染。通過實(shí)驗(yàn)研究吸附劑活性炭、多孔陶瓷顆粒和硅藻土吸附去除氨氮的影響因素，包括吸附劑投加量、 pH 值和接觸時間等因素，在此基礎(chǔ)上探究確定吸附劑最佳實(shí)驗(yàn)條件。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度為 293 K，氨氮濃度為 50 mg/L 的條件下，活性炭的最佳投加比例為 2 g/50 mL，最佳反應(yīng)時間為 1 h；多孔陶瓷顆粒的最佳投加比例為 9 g/50 mL，最佳吸附時間為 h； 硅藻土的最佳投加比例為 4 g/50 mL，最佳吸附反應(yīng)時間為 h。在各吸附劑的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)溶液 pH= 時，氨氮去除率分別為： %、 %和 %。s living standards make the water demand in our country is increasing. At the same time, the rapid development of China39。從整個生態(tài)范圍來講，水是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的鏈接環(huán)節(jié)，水的循環(huán)流動和凈化伴隨著整個生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，水資源的合理利用與保護(hù)是關(guān)系到人類可持續(xù)發(fā)展的重要問題。同時我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快速增 長和水資源開發(fā)活動的大力開展，水資源保護(hù)壓力越來越大。我國是一個水資源貧乏的國家，人均水資源占有量僅為世界水平的 1/4[1]，是全球 13 個貧水國家之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市缺水問題日益嚴(yán)重，缺水范圍不斷擴(kuò)大，缺水程度不斷增 加。根據(jù)水利部門預(yù)測，到 2050 年，全國總需水量將接近或達(dá)到可合理利用水量的極限，我國未來水資源的形勢將十分嚴(yán)峻 [2]。 水體污染 工業(yè)的不斷發(fā)展在給人們的生活創(chuàng)造極大便利的同時，對人類賴以生存的環(huán)境也帶來了極大地破壞。 就全國范圍內(nèi)而言，我國水污染主要以有機(jī)物污染為主，其中主要污染指標(biāo)為BOD、 COD 和氨氮等。其中工業(yè)廢水排放量為 億噸，占廢水排放總量的 ％，比上年增加了 ％；城鎮(zhèn)生活污水排放量 億噸，占廢水排放總量的 ％，比上年增加 ％。其中珠江、長江總體水質(zhì)良好，松花江為輕度污染，黃河、淮河為中度污染，遼河、海河為重度污染。 28 個國控重點(diǎn)湖泊（水庫）中，滿足 Ⅱ 類水質(zhì)的湖（庫） 2 個（占 7％）， Ⅲ 類水質(zhì)的湖（庫） 6 個（占 22％）， Ⅳ 類水質(zhì)的湖（庫） 1 個（占 4％）， Ⅴ 類水質(zhì)的湖（庫）5 個（占 19％），劣 Ⅴ 類水質(zhì)的湖（庫） 13 個（占 48％）。主要污染指標(biāo)為總氮和總磷 [3]。 水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時，浮游藻類大量繁殖，因占優(yōu)勢的浮游藻類顏色不同，水面往往呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、棕色、乳白色等。我國近年來湖泊、水庫、海灣等水體的富營養(yǎng)化時有發(fā)生。 （ 2）氨氮的污染 氮是自然界中主要的元素之一，它在自然界中不斷的轉(zhuǎn)化和循環(huán)，氮?dú)馐堑钪饕拇嬖谛问健Ｓ袡C(jī)氮包括氨基酸、蛋白氮、尿素和多肽等。無機(jī)氮主要是指氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。無機(jī)氮主要來源于有機(jī)氮的分解、轉(zhuǎn)化。氨氮對人體有一定的危害，進(jìn)入人體而合成 亞硝基化合物，誘發(fā)癌變。因此，國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)對氨氮及總氮指數(shù)作了嚴(yán)格規(guī)定。亞硝胺是三致 （致突變、致癌、致畸形）物質(zhì)，且上述轉(zhuǎn)化過程也可在人胃內(nèi)進(jìn)行，可見，氨氮污染會對人類產(chǎn)生很大的危害。 目前我國地下水中氨氮、硝酸銨含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)還很多，地方性疾病也伴隨產(chǎn)生。 （ 3）重金屬污染 重 金屬污染是水污染問題中危害最大的問題之一。加之重金屬具有毒性大、在環(huán)境中不易被代謝、易被生物富集并具有生物放大效應(yīng)等特點(diǎn) [11]，不但污染水環(huán)境， 同時給人類和水生生物的生存帶來嚴(yán)重的威脅。 污水脫氮技術(shù)研究現(xiàn)狀 物理化學(xué)脫氮法 （ 1）吹脫 汽提 吹脫法和汽提法的原理是利用廢水中氨氮的實(shí)際濃度與平衡濃度之間差異，堿性條件下，用空氣等載氣吹脫或用蒸汽汽提，將廢水中的氨氮不斷地由液相轉(zhuǎn)移到氣相中，從而達(dá)到從廢水中去除氨氮的目的。 廢水中的氨氮通常以按根離子 (NH4+)和游離氨 (NH3)的狀 態(tài)存在于水中并保持一定的平衡。 吹脫過程中， pH、水溫、水力負(fù)荷及氣水比都對吹脫效果有較大影響。吹脫法除氨，去除率可達(dá) 60%95%，吳方同 [12]在溫度 25 ℃ ， pH 值為 ，氣液比 29003600m3/m3 時處理垃圾滲濾液，氨的吹脫效率達(dá) 95%以上。 汽提法是用蒸汽將廢水中的游離態(tài)氨轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔庖莩觯瑱C(jī)理與吹脫法一樣，是一個傳質(zhì)過程，即在堿性條件下，使廢水與氣體密切接觸，從而降低廢水中氨濃度的過程。延長接觸時間和增加氣水接觸緊密程度可提高氨氮的去除率，填料塔即可滿足此要求。汽 4 提法適用于處理含高濃度氨氮且連續(xù)排放的廢水，操作條件與吹脫法類似，對氨氮的去除率可達(dá) 97%以上。 含氨的吹脫后空氣和汽提氣可用稀硫酸或廢酸液進(jìn)行洗滌吸收回收，作為肥料使用，從而達(dá)到廢物的綜合利用的目的。6H20(簡稱MAP) 沉淀物， 進(jìn) 而 達(dá) 到 去 除 廢 水 中 氨 氮 的 目 的 ， 反 應(yīng) 方 程 式 為 ：23 4 4 4 4 26M g P O NH M g NH P O H O? ? ?? ? ?。6H20）是堿式鹽，在酸性條件下易溶解，因此沉淀反應(yīng)應(yīng)在PH 較高的條件下進(jìn)行。 （ 3）電解法 電解反應(yīng)的陽極具有較強(qiáng)的氧化性，能將 NH3N 氧化，如在電解槽中加入 NaCl，生成 ClO，具有強(qiáng)氧化性，亦可氧化氨氮。 （ 4）濕式催化氧化法 濕式催化氧化法是指在一定溫度壓力下，在催化劑的作用下，以空氣或氧氣為氧化劑使污水中的有機(jī)氮和無機(jī)氮氧化分解成 CO H2O 及 N2 等無害物質(zhì)，以達(dá)到脫氮的目的。 （ 5）膜分離法 膜分離法是指利用天然的或人工合成的具有選擇性的膜，在外界壓力或化學(xué)位差的推動下，實(shí)現(xiàn)不同組分分離的過程。用于分離的膜具有選擇透過性，常用的反滲透膜主要是醋酸酯膜。該臨界點(diǎn)通常被稱為這點(diǎn)，在此狀態(tài)下的氯化稱為折點(diǎn)氯化，廢水中的氨氮被氧化成 N2 而被脫去。該方法具有反應(yīng)快、不改變原水成分、不產(chǎn)生二次污染、反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。 （ 8）選擇性離子交換法 選擇性離子交換法進(jìn)行脫氮是指借助離子交換柱內(nèi)離子交換劑上的離子與廢水中銨根離子（ NH4+）發(fā)生交換，從而達(dá)到從廢水中去除氮的目的。吸附法是目前較為成熟的，應(yīng)用范圍較廣的水處理方法之一。硝化作用是指在好氧條件下，自養(yǎng)型微生物將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮（ NO2N）和硝態(tài)氮（ NO3N）的過程；反硝化作用是指在缺氧或厭氧狀態(tài)下異養(yǎng)型反硝化細(xì)菌將亞硝態(tài)氮（ NO2N）和硝態(tài)氮（ NO3N）進(jìn)一步還原成氮?dú)猓?N2）的過程。第一步由亞硝化細(xì)菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽再由硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化成硝酸鹽，第二部則是在多種微生物的共同作用下，將 硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮?dú)舛尫诺娇諝庵校瑥亩鴱膹U水中去除含氮化合物。 傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)存在以下問題： ○ 1 硝化細(xì)菌是自養(yǎng)型微生物，生長和時代周期較長； ○ 2 硝化細(xì)菌對水質(zhì)水量的抗沖擊負(fù)荷能力較低，易導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定； ○ 3 硝化和反硝化過程在時間和空間上難以統(tǒng) 一，脫氮效率較低； ○ 4 某些工業(yè)廢水需要外加碳源才能進(jìn)行生物脫氮，且出水中有殘留有機(jī)物，必須進(jìn)行后曝氣處理，在增加能耗的同時也增大資源浪費(fèi)。其作用機(jī)理主要有 3 種理論：宏觀環(huán)境理論，微觀環(huán)境理論和微生物理論。微觀環(huán)境理論是指由于由于溶解氧擴(kuò)散作用，使得微生物體內(nèi)形成溶解氧濃度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致微觀環(huán)境上的同步硝化和反硝化過程。 同步硝化反硝化工藝操作簡單、占地面積小、周期短、 處理效果好；但由于絮凝體在為缺氧區(qū)的形成不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致處理效果出現(xiàn)波動，使出水水質(zhì)難以穩(wěn)定保持在某一水平。該工藝不經(jīng)過生成硝酸鹽這一過程，減少了對底物和供氧的需求，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。但是系統(tǒng)達(dá)到足夠的生物濃度所需的時間較長，且關(guān)于實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽穩(wěn)定積累的技術(shù)還不成熟，需要進(jìn)一步研究 。 與傳統(tǒng)工藝相比， ANAMMOX 工藝不需要供氧，不需要外加碳源，不需要外加酸堿調(diào)節(jié)劑，不產(chǎn)生二次污染，運(yùn)行費(fèi)用較低，污泥產(chǎn)量大幅度減少，是目前最經(jīng)濟(jì)、最簡潔的生物脫氮工藝。因此，要將 ANAMMOX 工藝推廣應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。因此，尋找一種較為廉價、易于獲得且對環(huán)境無污染的吸附材料，在提高廢水處理的經(jīng)濟(jì)價值，降低廢水處理成本的同時具備較高的凈化去除效率是當(dāng)前環(huán)保課題中亟需解決的問題。活性炭是由含碳物質(zhì)經(jīng)過 7 炭化和活化等一系列物理化學(xué)處理制備而成的炭結(jié)構(gòu)。由于活性炭具有多分散性的孔隙結(jié)構(gòu)，具有良好的吸附能力；由于是炭結(jié)構(gòu)，故而具有較強(qiáng)的物理化學(xué)穩(wěn)定性；同時失效后易于再生獲得?；钚蕴坎粌H能用于去除水中的色、臭、味，而且對各種有機(jī)物和無機(jī)物的去除也有很好的效果。多孔陶瓷材料具有孔隙率率高、透氣阻力小、體積密度較小并具有發(fā)達(dá)的 比表面和獨(dú)特的物理表面特性。主要有硅酸鹽材料、硅鋁酸鹽材料、硅藻土質(zhì)材料、剛玉和金剛砂材料等。當(dāng)濾液通過時，能夠吸附和截留水中的懸浮物、膠體顆粒等污染物，目前多用于處理重金屬工業(yè)廢水以及用作生物濾池的生物載體（濾料）。我國目前發(fā)現(xiàn)的硅藻土礦區(qū)遍及全國 14 個省 區(qū)，儲量豐富。近年來，硅藻土開始被用作飲料、釀酒行業(yè)的助凝劑。 但是由于其應(yīng)用領(lǐng)域的限制，使其功能難以得到充分的發(fā)揮，在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用有限。 本文 根據(jù)目前我國氨氮類污染物的處理現(xiàn)狀，以 目前已有的吸附材料，如活性炭、多孔陶瓷和 硅藻土 為基礎(chǔ)，拓展吸附材料在氨氮去除中的應(yīng)用。 研究內(nèi)容 本課題針對不同吸附材料對污水中氨氮的吸附容量、吸附曲線及其影響因素的研究，結(jié)合本地污水處理工藝，通過優(yōu)化篩選，提出具有較高吸附容量且經(jīng)濟(jì)可行的氨氮吸附材料。 9 第二章 活性炭吸附去除廢水中氨氮的研究 活性炭的發(fā)展及廢水處理上的應(yīng)用 活性炭的應(yīng)用發(fā)展 活性炭由于其具有比表面和孔隙率大等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的吸附性能，穩(wěn)定的物理化學(xué)特性以及失效后再生方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國防、科技、農(nóng)藥、交通、工業(yè)、醫(yī)藥以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，在推動社會發(fā)展上做出了巨大貢獻(xiàn) [18]。 木炭在很久以前被用作燃料以及冶金工藝。公元前 460~35