改性净水污泥颗粒对水中氨氮的动态吸附研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0288

摘要/Abstract

摘要：

水体中过量的氨氮导致黑臭和富营养化现象发生，对水生动物造成危害。吸附法具有高效、成本低、容易操作等优点，是去除水中氨氮的理想方法之一。采用净水污泥为原料，柠檬酸钠为改性剂，通过研磨—改性—造粒—焙烧工艺制备了改性颗粒吸附剂，探究其对水中氨氮的动态吸附效能。通过SEM、BET、FT-IR分析手段对吸附剂进行表征，考察了氨氮初始质量浓度、吸附柱高度、进水流速对穿透曲线的影响，并对实验数据进行模型拟合。结果表明，穿透时间随氨氮初始质量浓度和进水流速的增大而缩短，随吸附柱高度的增加而延长。BDST模型能较准确地描述吸附柱高度与穿透时间的关系，可用于预测改变氨氮初始质量浓度时的穿透时间。

关键词: 净水污泥, 氨氮, 动态吸附, 吸附剂

Abstract:

Excessive ammonia nitrogen in water bodies leads to black odor and eutrophication, which is harmful to aquatic animals. Adsorption has the advantages of high efficiency, low cost and easy operation, which is one of the ideal methods to remove ammonia nitrogen from water. Modified granular adsorbent was prepared by grinding-modification-granulation-baking process, using water treatment sludge as raw material and trisodium citrate dihydrate as modifier, to investigate the dynamic adsorption efficiency on ammonia nitrogen in water. The adsorbents were characterized by SEM, BET and FT-IR, and the effects of the initial mass concentration of ammonia nitrogen, height of adsorption column and inlet velocity on the breakthrough curve were investigated, and the experimental data were fitted with model. The results showed that the breakthrough time decreased with the increase of initial mass concentration of ammonia nitrogen and inlet velocity, and increased with increase of the height of adsorption column. The BDST model described the relationship between height of adsorption column and breakthrough time more accurately, and could be used to predict breakthrough time when the initial mass concentration of ammonia nitrogen changed.

Key words: water treatment sludge, ammonia nitrogen, dynamic adsorption, adsorbent

中图分类号:

X703
TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2021/V41/I12/66

图/表 15

图1 固定床装置

Fig.1 Fixed bed apparatus

图2 原污泥颗粒吸附剂（a）和改性颗粒吸附剂（b）的SEM照片

Fig.2 SEM images of raw sludge adsorbent (a) and modified particulate adsorbent (b)

表1 原污泥颗粒吸附剂与改性颗粒吸附剂的比表面积、孔容及孔径

Table 1 Specific surface area, pore volume and pore size of raw sludge adsorbent and modified particulate adsorbent

项目	孔容/（m³·g^-1）	比表面积/（m²·g^-1）	平均孔径/nm
原泥颗粒吸附剂	0.171 1	50.617 7	12.717 7
改性颗粒吸附剂	0.204 6	65.038 4	13.463 5

图3 原泥颗粒吸附剂和改性颗粒吸附剂的氮气吸附-脱附曲线以及孔径分布图

Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption curves and pore size distribution of raw sludge adsorbent and modified particulate adsorbent

图4 氨氮初始质量浓度对穿透曲线的影响

Fig.4 Effects of initial mass concentration of ammonia nitrogen on the breakthrough curves

表2 氨氮初始质量浓度对吸附效果的影响

Table 2 Effect of initial mass concentration of ammonia nitrogen on adsorption effect

C₀/（mg·L^-1）	q_total/mg	m_total/mg	W_total/%	t_0.5/min
50	7.16	19.28	37.14	162.18
100	12.33	39.23	31.43	64.26
150	13.91	47.50	29.28	31.08

图5 吸附柱高度对穿透曲线的影响

Fig.5 Effects of height of adsorption column on the breakthrough curves

表3 吸附柱高度对吸附效果的影响

Table 3 Effects of height of adsorption column on adsorption effect

H/cm	q_total/mg	m_total/mg	W_total/%	t_0.5/min
10	3.81	14.56	26.16	44.93
15	7.16	19.28	37.14	166.19
20	23.68	38.10	45.64	250.62

图6 进水流速对穿透曲线的影响

Fig.6 Effects of inlet velocity on the breakthrough curves

表4 进水流速对吸附效果的影响

Table 4 Effects of inlet velocity on adsorption effect

Q/（mL·min^-1）	q_total/mg	m_total/mg	W_total/%	t_0.5/min
3	16.60	34.39	48.26	476.54
6	7.16	19.28	37.14	181.39
9	5.29	17.25	30.67	73.62

图7 BDST模型的拟合效果

Fig.7 fitting result of BDST model

表5 BDST模型参数和穿透时间误差

Table 5 BDST model parameters and error of breakthrough time

H/cm	t_0.5（thero）/min	t_0.5（exp）/min	e/%
10	45.06	44.93	2.89
15	166.32	166.19	0.78
20	251.11	250.62	1.96

表6 BDST模型对改变进水流速时穿透时间的预测

Table 6 BDST model prediction of breakthrough time with varying inlet velocity

Q/（mL·min^-1）	A₁/（min·cm^-1）	t_0.5（thero）/min	t_0.5（exp）/min	e/%
3	48.50	529.96	476.54	11.21
6	24.25	194.85	181.39	7.42
9	16.17	83.60	73.62	9.11

表7 BDST模型对改变氨氮初始浓度时穿透时间的预测

Table 7 BDST model prediction of breakthrough time with varying initial mass concentration of ammonia nitrogen

C₀/（mg·L^-1）	A₂/（min·cm^-1）	B₁/（min·cm^-1）	t_0.5（thero）/min	t_0.5（exp）/min	e/%
50	24.25	-197.46	165.21	162.18	1.87
100	11.23	-98.73	65.84	64.26	2.46
150	8.08	-49.37	32.07	31.08	3.18

表8 Thomas模型拟合参数

Table 8 Parameters of Thomas model

初始条件				拟合参数
序号	C₀/(mg·L^-1)	Q/(mL·min^-1)	H/cm	M/g	K_Th 10^-4	q_thero/(mg·g^-1)	q_e/(mg·g^-1)	R²
1	50	6	15	28.47	7.16	0.538	0.546	0.977 1
2	100	6	15	28.47	5.51	0.262	0.251	0.963 1
3	150	6	15	28.47	4.00	0.212	0.201	0.971 4
4	50	6	10	18.98	10.68	0.195	0.209	0.961 9
5	50	6	20	37.96	6.94	0.631	0.624	0.987 8
6	50	3	15	28.47	4.84	0.576	0.583	0.962 7
7	50	9	15	28.47	15.72	0.178	0.186	0.990 4

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