电去离子技术去除及浓缩污泥水解酸化液中氮磷的研究

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污泥水解酸化液由于含大量挥发性脂肪酸(VFAs)常作为污水厂反硝化碳源,而酸化液中氮磷的存在加重了污水厂脱氮除磷的负荷,去除这部分氮磷具有重要意义。随着现代工业迅速发展,大量的氮磷元素进入水体导致水体出现富营养化现象,严重损害水生生态环境。现阶段的脱氮除磷技术中将如何高效去除氮磷作为研究重点,忽略了对氮磷的回收。近年来氮磷资源日益紧缺的问题逐渐突显,寻求一种可以同时去除并回收氮磷的技术已成为当务之急。电去离子技术(EDI)是在电渗析的基础上结合了离子交换技术,在外加直流电场的作用下既可将离子去除又可将其浓缩富集,在超纯水的生产和重金属离子去除与回收方面已有学者进行了大量研究,但针对氮磷的处理鲜有报道。本论文采用EDI技术处理基于酸化液中氮磷含量配制的氮磷混合溶液,对循环和连续两种进水模式分别进行了系统的研究,阐明了其中的规律并对其机理做了初步解析。本实验采用自主设计制作的EDI装置,在循环进水模式下通过单因素试验探究了操作条件对氮磷去除效果的影响。研究发现电极液采用Na2SO4电解质可以提高氮磷的去除效率,当电极液Na2SO4溶液浓度为0.05 g/L、阴阳离子交换树脂(D201和D001)填充比例为1:1时,氮磷去除率达到最高。增大电压可以提高氮磷的去除效果,但无限增大电压会加速膜堆中的水分子发生电解并使一部分树脂发生脱附现象,从而降低出水水质;进水流速的提高缩短了淡水室中离子的停留时间,使EDI处理性能降低。进一步探究连续进水模式下EDI对氮磷去除与浓缩的处理效果,研究结果显示,当电压为30V、进水流速为1 mL/min、连续运行8h,NH4+和PO43-的最高去除率分别达到79.94%和81.62%,浓缩倍数分别为2.94和2.30,此时电流效率最高为57.69%,说明EDI装置可以实现氮磷的同步去除与浓缩。随着电压增大,发现EDI系统的电流效率降低,用来迁移NH4+离子和PO43-离子的电流比例相对减小,故增大电压虽可提升水质但也增大了能耗,在实际应用时应根据需求选择适宜的电压;进水流速对EDI去除离子的性能影响显著,增大淡室进水的速度可显著降低出水水质。此外,增大电压可以提高NH4+离子和PO43-离子的平均迁移速率,但增大进水流速对离子平均迁移速率没有明显影响,当电压为30 V,进水流速为1 mL/min,NH4+和PO43-平均迁移速率分别为4.32 mg/h和2.44 mg/h,说明离子平均迁移速率与输入速率相接近,出水水质会变的更好。能量消耗计算结果表明,浓缩氨氮和磷酸盐的能耗分别为1.98 kWh/mol和20.53 kWh/mol。综上,采用连续进水模式,在优化条件下可以实现同步去除与浓缩氮磷。该研究为EDI技术进一步用于处理实际水解酸化液提供理论基础和实验数据。
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