离子交换和电吸附去除-富集低浓度氨氮研究

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1、离子交换和电吸附去除-富集低浓度氨氮研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：王志杰指导教师:王凯军教授二○一七年六月ResearchonRemovalandEnrichmentofLow-concentrationAmmoniaUsingIon-exchangeandCapacitiveDeionizationThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinE

2、nvironmentalScienceandEngineeringbyWangZhijieThesisSupervisor:ProfessorWangKaijunJune,2017摘要摘要根据可持续发展的理论与实践，人们越来越认识到未来污水处理厂将作为资源生产工厂。生活污水蕴含的大量能源和营养物质，但是，以往由于污水流量大、污染物浓度低而缺少经济有效的回收方法，目前，各国研究者提出和探索富集浓缩碳源的技术路线使能源、资源的回收成为可能。本论文基于新开发的膜混凝反应器新型污水资源化技术路线，提出膜后出水通过离子交换和电吸附去除-富集氨氮的技术。论文研究了离

3、子交换法（IE）、膜电吸附（MCDI）和膜电吸附+离子交换（MCDI+IE）组合工艺等3条去除-富集低浓度氨氮技术的可行性。首先，通过实验比较了天然沸石、改性沸石、弱酸性型阳离子交换树脂和强酸型阳离子交换树脂对氨氮的吸附量，筛选出天然沸石和强酸树脂为离子交换柱的吸附剂。天然沸石和强酸树脂的动态解吸富集实验表明，强酸树脂解吸更容易，完全解吸仅需要解吸液8BV而沸石24BV后仍无法解吸完全。但对于强酸树脂，污水中的钙镁离子会抑制其吸附能力，动态实验中穿透体积从352BV降到180BV。其次，为解决钙镁离子对强酸树脂吸附能力的抑制问题，对MCDI单元吸附离子过

4、程的选择性能进行研究。循环MCDI实验发现钙镁离子被优先吸附，经过三个吸附周期，进水电导率从1450us/cm降到800us/cm，对应的氨氮去除率为35%而钙镁去除率达到65%，水中氨氮的比例从20%增加到40%。建立MCDI+IE组合工艺去除-富集氨氮，MCDI预处理可以减少钙镁离子对IE去除-富集氨氮过程的干扰。在同样的树脂量情况下，与单独的IE工艺相比，MCDI+IE组合工艺的处理能力提高一倍多，同时树脂再生时可以多回收63%的氨氮。最后，在此基础上探索了MCDI技术单独去除-富集氨氮的可行性。利用MCDI单元解吸再生过程可以实现电极上吸附氨氮的

5、富集，与IE解吸富集液相比，MCDI富集液中不含有高浓度的钠离子，降低富集液后续的处理难度，是未来简单而高效的氨氮去除-富集方式。从大规模应用于污水中氨氮去除-富集的角度来看，MCDI由于离子选择性有限、吸附能力不高等问题，导致该技术经济成本较高；MCDI+IE组合工艺综合了MCDI离子选择性和IE技术成熟的优势，但系统组成复杂且MCDI经济成本高；而IE技术成熟，单位设备投资在可接受的范围。关键词：低浓度氨氮；去除-富集；离子交换；电吸附；离子选择性IAbstractAbstractAccordingtothetheoryandpracticeofsu

6、stainabledevelopment,itisincreasinglyrecognizedthatwastewatertreatmentplantwillbearesourcefactory.Althoughtherearelotsofnutrientandenenrgyinmunicipalwastewater,aneconomicandefficientrecoverymethodisn’tproposedbecauseofhighflowandlowconcentrationinwastewater.Theexplorationsofcarbo

7、npre-concentritiontechnologymakeitpossibletorecoverenergyandresource.Basedonthenewwastewatertreatmentofmembranecoagulationreactorpre-concentratewastewaterforresourcerecovery,thispaperproposesawaytoremoveandenrichlow-concentrationammoniainmembranefilteredwaterusingionexchange(IE)a

8、ndmembranecapacitivedeionization(MCDI).T