去除水中硝氮的絮凝劑製備及其脫氮機理研究

《去除水中硝氮的絮凝劑製備及其脫氮機理研究》是依託北京大學，由趙華章擔任負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：去除水中硝氮的絮凝劑製備及其脫氮機理研究
• 項目負責人：趙華章
• 項目類別：面上項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

碳源缺乏條件下去除水中硝氮一直是水處理的難點。常用的生物脫氮技術投資和運行成本高，占地多，不穩定。絮凝技術套用廣泛且有簡單易用易升級的特點，但傳統絮凝劑不能去除硝氮。申請者研製了共價鍵無機－有機複合絮凝劑大幅提高了絮凝效果並拓寬了絮凝套用範圍，在此基礎上提出採用新型絮凝劑去除硝氮的方法。本項目將利用“量身定製”的形態結構調控方法，通過調整該絮凝劑有機官能團種類和含量，獲得可去除硝氮的絮凝劑結構和形態。研究絮凝過程中硝氮的去除特徵和效果影響因素，尤其是共存離子以及有機物等對脫氮效果的影響。通過使用低氯組分並引入“促進劑”，進一步提高絮凝脫氮的選擇性。獲得絮凝劑最佳製備參數和最佳脫氮條件，闡明絮凝脫氮機理，為簡單、高效、低成本地去除水中硝氮提供一條新途徑。脫氮絮凝劑的研製與套用將使傳統絮凝以及目前水處理技術難以解決的問題簡單化，其絮凝行為和脫氮機理的研究成果將是絮凝理論和水處理理論的重要補充。

結題摘要

碳源缺乏條件下去除水中硝氮一直是水處理的難點。常用的生物脫氮技術投資和運行成本高，占地多，不穩定。絮凝技術套用廣泛且有簡單易用易升級的特點，但傳統絮凝劑不能去除硝氮。針對此問題，本項目研發出可去除硝氮的海葵式絮凝劑，研究了具有硝氮選擇性且結構穩定的絮凝劑製備方法並最佳化製備參數，利用多種手段對絮凝劑的物化性質和結構進行詳細表征。利用實際二級生物出水驗證了海葵式絮凝劑的脫氮效果以及對其他污染物的去除效果，探究了海葵式絮凝劑的混凝行為，並利用分子模擬從分子層面詳細闡釋了硝氮去除機理。本研究結論歸納如下：項目選用了具有季銨基團和長碳鏈3-（三甲氧基矽烷基）丙基二甲基十二烷基氯化銨（TPDDAC）的矽烷偶聯劑和AlCl3作為原料製備了脫氮絮凝劑，季銨基團的引入可以賦予絮凝劑去除硝氮的能力，長烷基鏈可以提高對硝氮的選擇性。通過酸鹼控制-自組裝的方法代替緩慢滴鹼法能夠顯著提高絮凝劑的穩定性。通過多種手段對海葵式絮凝劑的物化性質和結構進行了詳細表征。海葵式絮凝劑通過Si-O-Al鍵將有機組分和無機鋁組分通過共價鍵連線，其zeta電位比傳統絮凝劑有顯著提高，具有更強的電中和能力，粒徑在50 nm左右並呈現均勻分散的球狀核殼結構。該結構使絮凝劑具有極強的穩定性，幾乎不會發生因無機和有機組分膠凝導致絮凝劑失穩的現象。該類絮凝劑在二級生物出水深度處理和污泥處置中表現優異。對於二級生物出水深度處理，多項指標的去除率達到90%以上。這些指標不僅包括濁度、DOC以及總磷等常規指標，還包括目前廣泛關注的有機微污染物、傳統絮凝劑幾乎不能去除的硝氮以及其他溶解性污染物。對於污泥脫水處置，利用該類絮凝劑對污泥高效脫水後，其浸出液中污染物含量顯著降低，可以達到直接排放的要求，不會對周圍水質造成污染。項目組深入研究並闡釋了海葵式絮凝劑的絮凝行為和脫氮機理。具有球狀核殼膠束結構的海葵式絮凝劑在絮凝過程中會發生構型反轉，類似海葵把收縮的觸手由內向外張開。絮凝劑無機鋁組分發揮水解聚合、析出凝聚核並形成沉澱絮體的功能，有機組分通過靜電引力等 作用捕捉硝氮等小分子並攜帶其進入沉澱，從而實現了絮凝去除硝氮等小分子溶解物質。