离子交换工艺处理微污染黑臭水的性能研究

肖娇媚，李丹霓，周金艳，王 静，黄 聪，佘 健，江雨晴，任晓玲

(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.中南安全环境技术研究院股份有限公司，湖北 武汉 430051)

1 引言

我国水环境现状严峻，目前国内295座地级及以上城市共排查出黑臭水体1811个[1]。随着《水污染防治行动计划》等政策的出台，黑臭水体治理取得一定成效，但仍有大部分水体呈微污染状态[2]。而现有的黑臭水体处理技术对氮、磷等污染物去除效果并不理想[3]。此外，我国除磷主要使用化学除磷，该技成本高，且污泥处理过程中会影响硝化反应[4]。因此，急需研究一种微污染黑臭水处理技术，实现经济高效脱氮除磷。

综上，本文采用基于树脂吸附能力的离子交换技术进行实验，以静态实验研究树脂投加量和吸附时间对树脂脱氮除磷性能的影响，确定最佳运行参数；以动态实验考察同步脱氮除磷效果；以再生实验确定树脂最优再生次数及再生时间，为离子交换树脂系统的运行提供参数基础。

2 材料及方法

2.1 实验用水及水质

2.2 实验装置

本文离子交换树脂柱进行动态实验和再生实验。树脂柱为有机玻璃材质，直径25 mm，高度200 mm，交换树脂填充体积20 mL。进水方式为蠕动泵进水，微污染黑臭水或再生液自下而上流出离子交换柱，同时设置布水设施以减少树脂损失、保证布水均匀。静态实验主要采用多个250mL锥形瓶，材质为有机玻璃，瓶中加入离子交换树脂及待处理模拟黑臭水。

2.3 实验材料

本实验选用树脂为D296离子交换树脂，购自廊坊森特化工有限公司，其为大孔强碱性树脂，外观呈白色不透明状，功能基为-N(CH3)3OH，含水量55%左右，湿视密度和湿真密度分别约0.7 g/mL和1.08 g/mL，粒径在0.315～1.25 mm之间。

2.4 实验方法

2.4.1 预处理实验

为避免新树脂柱中杂质影响水质，对其进行预处理。预处理顺序为：食盐水处理、稀NaOH溶液处理和稀HCl溶液处理、碱洗。清洗溶液质量浓度分别为10%、4%和5%，处理时间分别为20 h、4～8 h和4～8 h[18]。树脂浸泡处理结束后，置于60 ℃烘箱烘干。

2.4.2 静态实验

为了评估树脂投加量和吸附时间对离子交换树脂系统脱氮除磷效果的影响，在250 mL的锥形瓶中进行批次实验，作为后续实验的条件基础。对树脂进行预处理后将树脂、溶液依次加入锥形瓶中，再将所有锥形瓶置于恒温振荡器中，控制温度25 ℃，转速120 r/min。静态实验具体设计如下。

2.4.2.1 单一离子影响因素实验

2.4.2.2 氮磷共存吸附实验

2.4.3 动态实验

2.4.4 再生实验

2.5 分析方法

3 结果与讨论

3.1 静态实验

3.1.1 单一离子影响因素实验

图和TP的去除率随树脂投加量变化曲线

3.1.2 氮磷共存吸附实验

图4 树脂对和TP的去除率随时间变化曲线

3.2 动态实验

利用离子交换树脂柱进行实验，研究D296树脂的动态吸附效果，产水量与出水污染物浓度变化情况如图5所示。

图5 树脂动态脱氮除磷效果

3.3 再生实验

图6 出水污染物随时间变化曲线

树脂再生三次的水处理效果如图7所示，不同再生次数后树脂吸附氮磷元素的穿透体积和再生率如表1所示。

图7 再生次数对树脂脱氮除磷的影响

表1 不同再生次数下树脂脱氮除磷的穿透体积和再生率

4 结论

(1)单一离子影响因素实验和离子共存吸附实验的最佳运行参数均为：投加量=0.5 g/L、吸附时间=150 min。随着投加量和吸附时间的增加吸附竞争逐渐减弱，最优条件下存在竞争吸附现象，但对污染物去除影响不大。