载铁活性炭生物滤池低温下去除氨氮机理研究

摘要

目前，我国饮用水水源氨氮污染问题十分严重，对城市饮用水的安全构成威胁。生物活性滤池是公认的最为经济有效的去除饮用水中氨氮的方式之一，但在低温环境下难以发挥作用。因此，探索低温下生物活性炭工艺高效脱氮，控制北方高寒地区氮污染和提供安全高质的饮用水都具有重要意义。
　　本文采用超声浸渍法将铁元素负载到活性炭上。通过改性活性炭与未改性活性炭对比试验，围绕吸附氨氮与活性炭表面性质关系这一问题，详细研究了氨氮在活性炭表面的吸附行为和机理。同时将改性炭应用到低温环境下，作为生物滤池滤料，进行微生物挂膜和除氮试验，从挂膜完成时间、微生物数量、微生物活性等方面进行考察，探讨了低温强化原因。
　　通过改性，改变了活性炭的物理结构和表面化学性质。铁元素以Fe2O3形式负载到活性炭上，使活性炭大孔和中孔的比表面积由46.175m2/g减小到改性后24.683m2/g，孔体积由0.064cc/g减小到0.043cc/g，平均孔径由3.742nm增大到3.808nm，表面形貌更加粗糙不平。通过改性，活性炭的等电点由未改性时pHPZC=5.8提高到改性后pHPZC=8.2。
　　氨氮在吸附过程中主要由颗粒内扩散过程控制，吸附行为符合伪二级动力学方程。通过对等温吸附线的研究表明，氨氮在活性炭表面服从Langmuir和Freundlich两种等温吸附模型。其中改性活性炭的氨氮饱和吸附量qm值在25℃、15℃、5℃的条件下比未改性炭分别提高11.2％，12.3%，52.8%。热力学分析表明活性炭吸附氨氮的行为是自发和放热的物理吸附过程。
　　将改性炭应用到低温环境下进行自然挂膜和除氮试验，对比未改性炭柱，结果表明，在低温条件下改性炭柱中自然挂膜完成历时96天，未改性炭柱挂膜历时106天。挂膜完成后，活性炭柱对氨氮的去除率均能达到95%以上。
　　对比改性炭柱和未改性炭柱中微生物的数量和活性表明，改性炭柱整体微生物数量和活性均要高于未改性炭柱。宏基因组测定表明，改性炭柱中微生物丰富度要高于未改性炭。对生物活性滤池进行除氮动力学探讨结果表明，改性炭柱比降解速率为0.114mg/L·h·nmol，而未改性炭柱的比降解速率为0.090mg/L·h·nmol。改性炭柱中微生物活性要高于未改性炭柱。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 生物脱氮技术

1.3 低温下生物脱氮研究

1.4 课题来源和研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 改性活性炭的制备

2.2 改性活性炭载铁量及吸附性能

2.3 改性活性炭表面性质测定

2.4 常规水质指标

2.5 微生物的表征

2.6 微生物种群特征——宏基因组测序

2.7 本章小结

第3章 改性活性炭表征

3.1 改性活性炭载铁量与元素分析

3.2 改性活性炭载铁形态分析

3.3 表面官能团分析

3.4 傅里叶红外光谱（FT-IR）分析

3.5 表面形貌分析（SEM）

3.6 BET比表面积和BJH孔径分布

3.7 本章小结

第4章 改性活性炭吸附氨氮性能分析

4.1 吸附氨氮性能分析

4.2 静态吸附

4.3 吸附动力学分析

4.4 改性活性炭吸附氨氮机理

4.5 本章小结

第5章 低温下改性生物活性滤池除氮特征

5.1 应用背景

5.2 试验装置和运行条件

5.3 低温下改性活性炭挂膜特征

5.4 低温下改性活性炭微生物生长特征

5.5 低温下生物活性滤池抗冲击试验

5.6 低温下生物活性滤池种群分析

5.7 低温下生物活性滤池除氮动力学初探

5.8 改性生物活性滤池低温强化原因分析

5.9 本章小结

结论

参考文献

致谢