（环境工程专业论文）沸石用作曝气生物滤池滤料的特性研究.pdf

济南大学硕士学位论文 中文摘要 本文通过对天然沸石、活化沸石、陶粒以及水渣滤料曝气生物滤池的对比研究， 总结分析沸石作为曝气生物滤池滤料处理生活污水的特性，主要内容包括： ( 1 ) 沸石曝气生物滤池的物化特性。通过对天然沸石、活化沸石、陶粒以及 水渣滤料四种填料的物化性能进行对比，结果表明，沸石特殊的微观结构以及表面形 态有利于微生物的附着，容易挂膜，同时具有很好的氨氮离子交换、有机物吸附性能， 价格低廉，适合作为生物填料。 ( 2 ) 沸石曝气生物滤池挂膜启动特性。采用自然富集挂膜启动方式对四种填 料进行对比，结果表明，在挂膜启动中沸石曝气生物滤池较其它填料去除污染物具有 明显的不同，主要原因是沸石对氨氮具有离子交换以及有机物吸附性能。 ( 3 ) 沸石曝气生物滤池去除效果分析。通过对四种填料曝气生物滤池去除氨 氮、c o d e r 、浊度以及色度的效果进行对比，结果表明，在进水流量4 0 0 m l m i n 。， 气水比5 ：1 ，水温2 0 0 0 - 2 6 o o o c 。进水p h 值7 0 8 0 ，平均进水c o d e r 浓度为1 6 7 5 8 m g l - l ，平均进水氨氮浓度为3 6 4 5 m g l - ，平均进水浊度为3 5 1 7 n t u ，平均进水色 度为3 0 4 p c u 的条件下，沸石曝气生物滤池在c o d e r 、氨氮、浊度以及色度去除性能 较其它填料要好，平均去除率分别达到8 5 6 5 ，鹊6 5 、8 6 8 2 、8 4 9 6 ( 4 ) 沸石曝气生物滤池去除机理及生物特性对沸石曝气生物滤池在去除氨 氮、有机物、悬浮物以及色度方面的机理进行探讨，并对曝气生物滤池内的生物膜和 生物絮体的形态结构以及活性进行对比分析，研究分析结果表明：沸石曝气生物滤池 的去除机理，主要是沸石的离子交换、吸附性能同曝气生物滤池的过滤、吸附以及生 物氧化作用，通过生物再生有机结合起来的结果；曝气生物滤池内生物膜和生物絮体 在厚度( 量) 、颜色、形态结构、组成以及微型动物方面都具有分层的特性；曝气生 物滤池中生物膜和生物絮体呼吸活性变化趋势不一致；曝气生物滤池中对氨氮的降解 主要集中在生物膜中，而生物絮体对氨氮的降解比较少；对有机物的降解是生物膜和 生物絮体共同作用的结果，在反应器前段生物絮体的有机底物降解速率要高于生物 膜，在后段则相反。 ( 5 ) 二级沸石曝气生物滤池去除特性。将天然沸石和活化沸石串联成二级沸 石曝气生物滤池同臭氧工艺组合起来，处理校园生活污水，试验结果表明：二级沸石 曝气生物滤池组合工艺对校园生活污水的处理效果比较好，c o d e r 、氨氮、浊度和色 度以及大肠杆菌等能够满足建设部颁布的生活杂用水水质标准( c _ j 2 5 1 5 9 ) 用水 i 沸石用作曝气生物滤池滤料的特性研究 标准；臭氧对二级沸石曝气生物滤池出水具有进一步去除c o d c r 和色度的能力， c o d c r 去除率平均为3 9 9 6 ，色度在1 0 度以下 关键词；天然沸石；活化；曝气生物滤池：生物絮体：离子交换作用；吸附性能 i l 济南大学硕士学位论文 a b s t ra c t t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v es t u d i e s0 1 1p o l l u t a n tr e m o v a lb e t w e e nn a t u r a lz e o l i t e ， m o d i f i e dz e o l i t e ，g r a i n - s l a gw h i c hi san e w - s t y l ef i l t e rm a t e r i a lm a d eo fg r a i n - s l a ga n d h a y d i t eb a f ( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft r e a t i n gs a n t i t a r yw a s t ei n z e o l i t e db a fw a sd i s s c u s s e di nt h ep a p e r i tm a i n l yi n c l u d e sa s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep h y s i c o - c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ez e o l i t eb a f t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v es t u d i e so np h y s i c o - c h e m i c a lp e r f o r m a n c eb e t w e e n m r a lz e o l i t e , m o d i f i e d z e o l i t e d ，g r a i n - s l a ga n dh a y d i t eb a f , t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tw a sv e r yp r o p i t i o u sf o r z e o l i t em e d i ab yr 0 刮q o no fs p e c i f i cm i c r o s t r u c t u r ea n ds u r f a c ef e a t u r e t oa t t a c h m i c r o o r g a n i s ma n df o r mb i o f i l m a tt h em e a n t i m e ，z e o l i t eh a sn o to n l ya m m o n i an i t r o g e n i o n e x c h a n g ea n do r g a n i cm a t t e ra b s o r p t i o nc a p a b i l i t y , b u ta l s ot h ep r i c eo fz e o l i t ei sv e r y c h e a p e rt h a no t h e rm e d i a s s ot h ez e o l i ta sb i o l o g i c a lm e d i a i sb e t t e ro t h e r s ( 2 ) t h es t a r t - u pc h a r a c t e r i s t i co ft h ez e o l i t eb a f t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v e s t u d i e so ns t a r t 叩p e r f o r m a n c eb e t w e e nn a t u r a lz e o l i t e , m o d i f i e dz e o l i t e d , g r a i n - s l a ga n d h a y d i t eb a f t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tw a sv e r yd i f f e r e n tb e t w e e nz e o f i t e rb a f a n d o t h e r sd u r i n gt h es t a r t - u p i tw a sd u et oa m m o n i an i t r o g e ni o n - e x c h a n g ea n do r g a n i c m a t t e ra b s o r p t i o nc a p a b i l i t yo f z e o l i t e ( 3 ) t h er e m o v a le f f e c t i v e n e s sa n a l y s eo ft h ez e o l i t eb a et h r o u g ht h e c o m p a r a t i v es t u d i e so na m m o n i an i t r o g e n , c o d e r , t u r b i d i t ya n dc o l o n r i t yp e r f o r m a n c e b e t w e e nn a t u r a lz e o l i t eb a fa n do t h e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f s a n t i t a r y w a s t ew i t hz e o l i t eb a fi se x c e f i e n t t h e a v e r a g e r e m o v a lr a t eo f l 崎h 4 + 一n c o d e r , t u r b i d i t ya n dc o l o u r i t yi s8 5 6 5 、8 9 6 5 、8 6 8 2 、8 4 9 6 r e s p e c t i v e l y a tt h ei n f l u e n tf l o w o f4 0 0 m l m i n , a i r w a t e rr a t i oo f5 ：l , w a t c rt e m p e r a t eo f 2 0 0 0 - 2 6 0 0 0 c ，p hv a l u eo f7 0 - 8 0 a v e r a g e i n f l u e n tn f h + - no f6 4 5 m g l 1 ，a v e r a g e i n f l u e n tc o d e ro f1 6 7 5 8m g l 1 m ，a v e r a g ei n f l u e n tt u r b i d i t yo f3 5 1 7 n t ua n da v e r a g e i n f l u e n tc o l o u r i t yo f3 0 4 p c u ( 4 ) t h er e m o v a lm e c h a n i c sa n db i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ez e o l i t eb a et h e m e c h a n i c so fr e m o v a ln h 4 + - n , c o d e r , t u r b i d i t ya n dc o l o u r i t yi nz e o l i t e db a fw a s d i s s c u s s e da n dt h em o r p h o s i sa n db i o l o g i c a la c t i v i t i t yw c 佗c o m p a r e db e t w e e nb i o f i l ma n d b i o f l o c c u l e si nt h et h e s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a lm e c h a n i c s i si st h a tz e o l i t e i l l 沸石用作曝气生物滤池滤料的特性研究 u s e da sb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r i n gm e d i a l 锄c o m b i n ei t sa b s o r p t i o n , o ne x c h a n g e p r o p e r t yw i t ht h eb a f sf u n c t i o no ff i l t r a t i o n ，a b s o r p t i o na n db i o l o g i c a lm e t a b o l i z i n gb y b i o l o g i c a lr e g e n e r a t i o n t h eb i o f i l ma n db i o f l o c c u l ei nt h i c k n e s so rw e i g h t , c o l o u r , m o r p h o s i s , c o m p o s i t i o na n dm i c r o a n i m a lh a v ea l ld e l a m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c i nt h e z e o l i t eb a fr e a c t o r t h eb i o l o g i c a la c t i v i t i t yo ft h e ms h o w e ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h e r e a c t o r b i o f i l mw a st h em a j o rc o n t r i b u t o rt oa m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a l t h eb i o f i l ma n d b i o f l o c c u l ei sc o n t r i b u t o rt oo r g a n i cm a t t e rr e m o v a li nt h eb a f o r g a n i cm a t t e r d e g r a d a t i o nr a t i oo fb i o f l o c c u l e si sh i g h e rt h a nb i o f i l mj nt h ef o r w a r do ft h er e a c t o r , t h e o t h e rw a yr o u n di nt h eb a c k w a r do ft h er e a c t o r ( 5 ) t h er e m o v a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et w o - s t a g ez b a f t h eg r o u pt e c h n o l o g y w h i c hi sm a d eo ft w o - s t a g ez b a fa n do z o n et e c h n o l o g yw a si n v e s t i g a t e dt ot r e a ts a n t i t a r y w a s t eo fu n i v e r s i t yo fj i n a n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fs a n t i t a r yw a s t e w i t ht w o - s t a g ez b a fi se x c e l l e n ta n dt h et r e a t m e n te f f l u e n tf o rg r o u pt e c h n o l o g y 啪m e e t m i s c e l l a n c o t md o m e s t i cw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d o z o n et c c h n o l o g yw a sc o n t r i b u t o rt o c o d c ra n dc o l o u r i t yr e m o v a lo ft h et r e a t m e n te f f l u e n to ft w o - s t a g ez b a f t h ea v e r a g e r e m o v a lr a t eo fc o d c rw a s3 9 9 6 a n dc o l o u r i t yo fe f f l u e n tw a sb e l o w1 0p c u k e y w o r d s ：n a t u r a lz e o l i t e ；a c t i v a t i o n ；b a f ( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) ；b i o f l o c c u l e ； i o n - e x c h a n g e ；a b s o r p t i o nc a p a b i l i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：冯岩 日期：趁盟：正z ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：冯笔 导师签名：、王笙! 董 日期：丝z ：笸：箩 济南大学颈十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国水环境污染现状 近几十年来，随着现代工业和城市建设的发展，我国城市的环境污染特别是水污 染问题日趋严重，同时水资源问题也日趋紧张。我国水资源总量约为2 8 1 2 4 万立方米， 位居世界第六，相对来说是水资源较丰富的国家，不过我国人均占有水资源量比较匮 乏，仅为2 3 4 0 r n 3 ，为世界人均值的四分之一，而且时空分布不均，开发利用难度大， 许多城市和地区严重缺水l 与此同时，我国的水环境污染严重，进一步加剧了水资 源的短缺。随着我国城市化进程的加快，人口不断增加，工农业生产规模的扩大，生 活污水和工业废水的排放量迅速增加，由于我国水污染严重、治理起步晚、基础差以 及资金和技术等原因，污水处理设施严重不足，大量污水未经处理携带大量的有毒有 害物质，捧入到各类江、河、湖、水库、海湾及近海水域，造成了严重的水环境污染 根据国家环保局发布的( 2 0 0 5 年环境公报1 2 1 ，2 0 0 5 年我国大部分江河湖水域受到 不同程度的污染。2 0 0 5 年七大江河水系的4 1 1 个水质监测断面中，i h i 类、一v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 ，3 2 、2 7 ，其中珠江、长江水质较好， 辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染严重。主要污染指标为氨氮、五日生 化需氧量、高锰酸钾盐指数和石油类2 8 个国家控制重点湖( 库) 中，满足i i 类水 质的湖( 库) 2 个，占7 ；m 类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ：水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 1 2 个，占 4 3 。其中，太湖、滇池和巢湖的水质均为劣v 类。主要污染指标为总氮和总磷。 由近五年来废水及主要污染物的排放量表1 一i 可以看出，我国每年的废水以及 c o d 、氨氮排放量呈逐年增加的趋势。在2 0 0 5 年，全国废水排放总量达到5 2 4 5 亿 吨( 工业废水排放量为2 4 3 i 亿吨，生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨) ；化学需氧量排 放量为1 4 1 4 2 万吨( 工业排放量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨) ：氨氮排 放量为1 4 9 8 万吨( 工业排放量为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨) 。而目前我国 已建成的污水处理系统日处理能力仅为3 0 0 0 万立方米，还有大量污水没有处理就直 接排放到自然水体中。 可见，我国水资源环境污染日益严重，污水排放量越来越多，大部分江河湖泊水 域受到不同程度的污染。要改变目前的水环境污染问题，就必须大力研究开发出适合 l 沸石用作曝气生物滤池滤料的特性研究 我国国情的新型高效经济的污水处理技术，特别是能够有效地去除水中的有机物和氨 氮的简易、高效、低耗的污水处理技术。 表1 1 废水及主要污染物的排放量 t a b 1 1t h ed i s c h a r g eq u a n t i t yo f w a s t ew a t e r a n dt h ep r i n c i p a lp o l l u t a n t 1 1 2 污水处理技术 我国污水处理的历史始于1 9 2 1 年，直至改革开放近二十年才取得迅速的发展 目前污水处理技术根据去除对象的不同，常采用物理处理法、化学处理法和生物处理 法1 3 , 4 , 5 1 对于城市污水而言，由于其主要污染物中多为有机成分所以生物处理法在 整个处理系统中占主导地位。污水生物处理的主要去除对象是呈溶解态和胶体状态的 有机污染物质，利用微生物的新陈代谢作用使之转化为稳定的无害化物质 6 1 。按照反 应过程中有无氧气的参与，污水生物处理可分为好氧处理工艺和厌氧处理工艺两大 类，前者多用于处理中等浓度的城市污水，而后者则多用于处理高浓度的有机污水和 污水处理中产生的污泥。按照污水处理生物反应器中微生物的生长状态，污水生物处 理还可以分为悬浮生长工艺和附着生长工艺( 固定膜) ，前者以活性污泥法为代表， 微生物在曝气池内以活性污泥的形势呈悬浮状态，而后者则以生物膜法为代表，微生 物以膜状固着在某种载体的表面上1 7 l 。 活性污泥法是当今世界上应用最为广泛的一种生物处理工艺，具有处理能力高、 出水水质好等优点，但传统活性污泥的基建和运行费用较高、能耗较大、管理也较复 杂1 8 , 9 1 、易出现污泥膨胀和污泥上浮等问题1 1 0 , 1 1 , 1 2 ，对n 、p 等营养物质去除效果有 限，因而近2 0 多年研究者们在对活性污泥法本身改进的同时，又致力于寻找活性污 泥法的替代工艺或革新于代用处理技术。活性污泥的主要工艺形势有a b 污水生物处 理技术、a b r 污水生物处理技术、s b r 污水生物处理技术、l i n p o r 污水生物处理 2 济南大学硕士学位论文 技术，人工湿地污水处理技术、氧化沟污水生物处理技术和u a s b 污水生物处理技 术等。 生物膜法处理技术是根据土壤自净的原理发展起来的1 1 3 l 。从微生物对有机物降 解过程的基本原理上分析，生物膜处理技术与活性污泥处理技术是相同的，两者主要 的不同是活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来分解有机物的，而生物 膜法则主要依靠固着于载体表面的微生物膜净化有机物的。目前生物膜法主要包括生 物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床和曝气生物滤池等不同的工艺。曝气 生物滤池是一种发展较快的新型生物处理技术，具有占地面积小、出水水质高、投资 省、运行灵活方便、易于管理、抗冲击能力强等特点【1 4 , 1 5 】，在污水的有机物去除、硝 化去氨、反硝化脱氮和磷的去除中都有较好的应用前景1 1 6 , 1 7 1 8 1 。该技术特别适合我国 水处理事业所面临的资金不足、技术水平低的现状。曝气生物滤池充分借鉴了污水处 理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗 等特点于一体，其工作原理主要有过滤、吸附和生物代训1 9 2 0 。 曝气生物滤池的核心部分就是滤料，它是生物膜的载体，污水的净化过程就是附 着于滤料之上以及悬浮于滤料之间的微生物的新陈代谢过程滤料的特性对生物膜的 性状、氧的利用率和水力分布条件等起重要作用，是直接影响曝气生物滤池工艺的关 键因素常见的无机填料有焦炭，石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐、陶粒l 有机高分 子填料一般为聚苯乙烯，聚氯乙烯、聚丙烯【2 1 2 2 1 t d k e n t l 等人认为填料对曝气生 物滤池的一次性投资、运行成本及正常操作影响很大，指出塑料滤料不适合做曝气生 物滤池滤料，并对7 种可能应用于曝气生物滤池的滤料进行了研究，结果表明最适合 作为曝气生物滤池滤料的是a r l i t a ，其次是老的页岩。我国也对曝气生物滤池的多种 滤料进行了试验，如页岩陶粒、粘土陶粒、砂、褐煤、炉渣等，认为陶粒、砂子要优 于其他材料。在实际应用最多的两种滤料为球形轻质陶粒和b i o l i t e s ( 进口专利滤 料) 选择最优的填料以及研究新的高效的填料是曝气生物滤池发展的一个重要的研 究课题。 1 2 沸石在水处理中的应用 环境友好材料是在原料采集、产品制造、使用或者再生循环利用以及废料处理等 环节中对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的材料，具有资源和能源消耗少、 对生态和环境污染小、再生利用率高的特点，而且从材料制造、使用、废弃直到再生 循环利用的整个寿命中，都与生态环境相协调1 2 4 笛1 。环境友好材料有三个重要特征： 3 沸石用作曝气生物滤池淀斟的特性研究 良好的使用性能、较高的资源利用率、对生态无副作用。为了缓解人类和环境的关系， 世界上许多发达国家都积极推广环境友好材料的发展，美国、日本、德国等国家先后 制定法规，不少国家还制定了环境友好材料的研制和开发计划l 蝴。 天然沸石是一种含水框架结构的多孔硅铝酸盐矿物质，它独特的晶体结构使其具 有选择性离子交换性能、吸附性能、耐酸性能以及催化性能等特性，同时具有较大的 比表面积，在污水的有机物去除、氨氮的去除、重金属离子的去除、氟和磷的去除以 及微污染水源水的预处理中有着较好的应用前景，特别是把沸石作为生物滤料，能够 把天然沸石的吸附性、离子交换性能与滤池的过滤、吸附和生物代谢功能有机结合起 来，更好的去除污水中的n h 3 - n ，有机物、s s 和色度等。把沸石应用到水和废水处 理中，在使用和处理过程中不会对环境造成二次污染，是一种环境友好材料以沸石 作为水及废水处理材料，有望研究开发出经济、高效的新型水处理技术与工艺，对解 决我国日益严峻的水环境污染及水资源短缺问题，具有重要的现实意义，应对其研究 和应用发展现状进行总结，并进行深入的理论探讨和工艺研究，使之快速应用于我国 的水处理实践中 1 2 1 沸石的结构及特性 沸石是具有四面体骨架结构的硅铝酸盐任何沸石都由硅氧和铝氧四面体组成， 四面体只能以顶点相连，即共用一个氧原子，不能“边”或。面”相连，并且铝氧四 面体本身不能相连，其间至少有一个硅氧四面体，硅氧四面体可以直接相连。硅氧四 面体中的硅可被铝置换而构成铝氧四面体，但铝原子是三价的，所以在铝氧四面体中 有一个氧原子的电价没有得到中和而产生电荷不平衡，使整个铝氧四面体带负电。为 了保持中性，必须有带正电的离子来抵消，一般是由碱金属和碱土金属离子来补偿， 如n a 、c a 及s r 、b a 、k 、m g 等金属离子。由于晶体结构的开放性，沸石含有许多 排列有序、大小均匀、彼此贯通并与外界相连的空穴和孔道，是最典型的具有纳米微 孔结构的非金属矿物。 沸石的工艺特性有：( 1 ) 离子交换性能。在沸石晶格中的空腔( 孔穴) 中k 、 n a 、c a 等碱金属或碱土金属离子和水分子与骨架结合得不紧，具有很大的流动性， 极易与其周围水溶液里的阳离子发生交换作用，交换后的沸石晶格结构不被破坏，沸 石的这种结构决定了它具有离子交换性和交换的选择性。( 2 ) 吸附性能。沸石由于具 有很大的比表面积( 5 0 0 - 1 0 0 0 m 2 g - 1 ) ，能够产生较大的扩散力，故可用作出色的吸 4 济南大学硕士学位论文 附剂。沸石晶格内部有很多大小均匀的孔穴和通道，孔穴之间通过开口的通道彼此相 连，并与外界沟通。在一定的物理化学条件下，具有精确而固定的直径( 约3 - 1 1 a ) ， 各种不同的沸石，其直径也不同，小于这个直径的物质能被其吸附，而大于这个直径 的物质则被排除在外。( 3 ) 耐酸性能。斜发沸石和丝光沸石用不同浓度的盐酸在1 0 0 0 c 下处理2 小时，其中斜发沸石在4 m o l l 1 盐酸中处理，丝光沸石在1 0 t o o l l 1 盐酸 中处理，晶体结构均未被破坏，表明两者均有较强的耐酸性。( 4 ) 催化性能。由于沸 石的吸附表面比较大，可以吸收相当多数量的物质，促使化学反应在其表面上进行， 所以沸石可作为有效的催化剂和催化载体( 5 ) 热稳定性能。物质的热稳定性由物质 的组成、结构等因素决定的，沸石的热稳定性也不例外，与沸石中所含阳离子的种类、 沸石的硅铝比、沸石的内部结构等因素有关。( 6 ) 其他特性。除上面五个工艺特性外， 沸石还具有化学反应性、远红外辐射性、可逆脱水性等工艺性能。 1 2 2 沸石在水处理中的研究现状 沸石对氨氮的去除主要是沸石的吸附和离子交换作用的结果。氨为极性分子，其 分子小于沸石孔道的直径，因此沸石对氨离子具有极强的吸附作用，同时沸石对n i 4 + 离子具有选择性离子交换和再生特性。斜发沸石对阳离予交换顺序为：c s + r b + k + n 1 1 + s r 2 + t b a 2 * c a 2 + n a + f e 3 + a 1 3 + m g + l i4 a 在上述各种阳离子共 存的溶液中，除q + 、r b + 、c 外，优先吸附的是n h 4 + 2 s l 。 国内外在用沸石去除氨氮方面作了较多的研究，对它在污水处理中的应用条件、 再生工艺等进行了生产性试验，并建成了一定生产规模的污水处理厂美国明尼苏达 州的r o s e m e n t 污水厂，处理水量为2 2 6 0 m 3 d 1 ，先将原水进行一定的前处理，用 斜发沸石进行离子交换，水中氨氮去除率达到9 5 以上【2 9 l 。赵南霞等人系统地研 究了天然沸石去除饮用水中低浓度氨的工艺参数，包括沸石的粒径大小、水流流速、 初始氨浓度和p h 等对处理效果的影响，并对再生液中钠离子浓度、p h 及其再生液 流速对沸石再生的影响也进行了研究，结果表明，该种天然沸石不仅很好地去除水中 微量氨离子，而且还能被有效地重复使用和再生1 8 次，其氨交换容量仅降低了4 ， 因此该天然沸石用于去除水中微量氨具有工业应用的潜力。“1 3 1 j 等人进行了沸石吸附 法去除垃圾渗滤液中氨氮的研究，发现沸石对氨氦具有较大的吸附量，在平衡浓度相 当高的情况下，每克沸石具有吸附1 5 5 9 氨氮的极限吸附潜力r o z i c l 3 2 l 等人的试验 结果表明沸石对氨氮的吸附容量约为粘土的2 3 倍。s i n g h ”j 对比z s m - 5 、1 3 x 、5 a 5 沸石用作曝气生物滤池滤料的特性研究 等3 种由印度联合水泥公司生产的沸石分子筛对焦炭厂废水中氨氮的吸附效果研究， 试验结果表明1 3 x 沸石分子筛是效果最好的吸附剂，在原水氨氮浓度为3 5 0 r a g l - 1 时，z s m 5 、5 a 、5 a 等3 种沸石分子筛吸附6 0 分钟后的吸附容量分别为8 、1 4 、3 1 m g ( n h 3 n ) l 1 。 在废水中有机污染物是一类主要污染物，c n c l 3 、t c e ( - - 氯乙烯1 是饮用水中优 先控制污染物，在水中含量相当低时对人体具有致癌作用。m r b e ( 甲基叔丁基醚) 是 一种汽油添加剂，日前广泛出现于水源中，已被证实是一种潜在致癌物。沸石对废水 中的有机物的去除主要取决于有机物分子的极性和大小。极性分子较非极性分子易被 吸附，随着分子直径的增大，被吸附进入孔穴的机会逐渐减小含有极性基团如- o h 、 c = 0 、n h 2 或含有可极化基团如 c = 、c 6 h 5 等的有机物分子与新型环境友 好材料沸石会发生强烈的吸附作用，c h 0 3 、t c e ( - - 氯乙烯) 、m t b f _ ( 甲基叔丁基醚) 、 二氯甲烷、三氯乙烷等都能被吸附 陶红刚等人以天然沸石矿物为原料合成的1 3 x 沸石分子筛用于去除水中苯酚， 发现1 3 x 分子筛对苯酚的吸附速率非常快，吸附时问为加分钟时吸附基本达到饱和 a 丑d s 1 3 5 l 研究高硅沸石( s i 0 2 酏仍比相对较高) 吸附去除水中m t b e 、c h c l 3 、t c e 等有机物，发现高硅沸石对水中m t b e 、c h c b 、t c e 的吸附容量是所研究的粒状活 性炭的8 1 2 倍b o u f f a r d 3 6 【1 7 】等人使用阴离子表面活性剂h i y r m a ( 十六烷基三甲 铵) 对斜发沸石进行表面改性，发现改性后的沸石具有较高的阳离子交换容量，能有 效地吸附去除造纸废水中的d i - l a ( 脱水松香酸) 。l i l 3 1 】等人研究了h d t m a 改性沸石 对全氯乙烯的去除规律，发现全氯乙烯的去除率与改性沸石的有机炭含量和h d t m a 在沸石表面的构型有关，当h d t m a 在沸石表面处于单层状态时，全氯乙烯的去除 效果最好。 沸石吸附处理水中的阳离子、阴离子污染物已经有大量的研究报道。沸石对某些 重金属离子具有较高的交换能力，如经过表面改型的n a 型斜发沸石和丝光沸石对一 些重金属离子的选择性顺序如下：b a p b c d z n c u 3 刀 沸石具有综合治理污染水源的功能，能同时去除水中的n i “、c o “、c u 2 + 、p b 2 + 、h 9 2 + 等重金属离子、油类和其它有机物【翊m i 一3 9 】等人用产于墨西哥的天然斜发 沸石进行了沸石吸附水中p b 、c d 等重金属离子的实验研究，结果表明在酸性p h 值 范围内天然斜发沸石对水中的p b 2 - 、c a 2 + 具有非常好的吸附去除作用，并发现当p h 7 后，天然斜发沸石对水中c d 的吸附能力急剧下降，但当p h 1 0 后，天然斜发沸石对 6 济南大学硕七学位论文 水中p b 的吸附能力才有所下降。当溶液中p b 与c d 共存时，天然斜发沸石对p b 2 + 的 吸附亲合力大于对c d 2 + 的吸附亲合力。 天然沸石通过一系列的活化过程后，得到的活化沸石可以有效地去除水中的f 董岁明1 4 0 1 等人用三氯化铁改性的沸石对不同浓度的高氟水的处理、吸附剂的洗脱再生 性能的研究，结果表明：该吸附剂制作和再生工艺简单，吸附属化学吸附，静态饱和 吸附量可达2 6 5 7 m g ( f ) g - 1 ( 吸附剂) ，吸附剂经6 次洗脱、再生，吸附剂的平均工 作吸附容量达1 5 6 3 m g r 1 ，吸附性能稳定、机械强度好，对含氟水的处理具有重要 的应用价值。肖举强1 4 1 】等人研究了镁型活化沸石去除饮用水中氟的试验，结果表明镁 型活化沸石具有较强的除氟能力，其除氟容量可达1 4 m g ( f ) g - 1 以上将粉碎至 一定粒径的沸石( 斜发沸石效果较佳) 清洗干净，1 ) n a o h 溶液水浴加热调整结构： 2 ) c a c l 2 溶液浸泡改型；3 ) 高温灼烧打通孔道，提高活性；4 ) 使用前用舢“s o 锄1 8 h 2 0 溶液浸泡，烘干后即得到活化沸石。实验证明：该活化沸石对于饮用水中所含过量氟 离子的去除有很好的效果，除氟容量可达0 4 8 4m g ( f ) g - 1 沸石使用后的活化沸 石经过低浓度a 1 2 ( s 0 4 ) 3 溶液再生后可继续使用，再生使用次数不低于2 0 次 含磷废水的排放会引起水体富营养化导致水体中藻类和浮游生物急剧增殖。水 体溶解氧下降。水质恶化，并引起鱼类及水中其他生物大量死亡盂洪【4 2 】等人选用甘 肃某地产天然沸石。经活化后处理含磷废水，研究结果表明：活化沸石可以有效去除 生活污水中的磷化物。但对以聚磷化物为主的含磷废水处理效果不甚理想；最佳除磷 条件：沸石粒径0 5 1 6 m m ，废水p h 值4 1 2 , 含磷浓度3 0 m g l 1 ，滤速3 m h 1 。 i - l a g g e r t y 4 3 l 等人研究了h d m a 改性沸石对水中s 0 4 2 、c r 0 4 2 、s e 0 4 2 等含氧酸阴 离子的吸附去除作用，发现h d t m a 改性沸石对水中c r 0 2 - 的吸附量最大，其次为 s 0 4 2 ，最后为s e o 产。刘莺1 等人研究了天然沸石经阳离子表面活性剂( a 口儿气b ) 改 性后处理含铬酸根离子的废水，在1 5 0 c 时对铬酸根离子的饱和吸附量为1 5 9 7 9 k g 1 ， 吸附性能有了很大提高。 生物滤池技术在欧洲已获得广泛的应用，7 0 以上的城市污水厂采用生物滤池法 1 4 5 l 。曝气生物滤池是一种新型淹没式生物反应器，充分借鉴了污水处理接触氧化法和 给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗等特点于一体 其工作原理主要是过滤、吸附和生物代谢【拍1 曝气生物滤池具有占地面积少、处理效 率高、出水水质好、基建投资省、管理方便等特点。从曝气生物滤池的发展看，填料 的开发研究是核心问题1 4 ”。常见的无机填料有焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐、 7 沸石用作曝气生物滤池滤料的特性研究 陶粒；有机高分子填料一般为聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯。选择最优的填料以及研 究新的高效的填科是曝气生物滤池发展的一个重要的研究课题。 沸石由于具有许多独特的物理化学特性，把它作为曝气生物滤池的生物填料的研 究己成为一个新的研究课题。天然的沸石是一种白色透明的晶体，它独特的晶体结构 使其具有对n h 4 + 等离子具有选择性离子交换性能、选择性吸附性能、耐酸性能以及 催化性能同时天然沸石表面粗糙，比表面积大，比表面积一般为4 0 0 - 8 0 0m 2 g - 1 ， 吸附能力强，视比重小，属于天然轻质滤料，可用来去除悬浮物、藻类等，降低出水 浊度l q 。正是由于这些特性把沸石作为曝气生物滤池的生物填料进行水处理的研究 目前国外对以天然沸石为曝气生物滤池的生物填料已进行了一些研究法国 s u l a r 滤池装有三层滤料，最上一层是比重为1 2 、粒径为2 5 3 5 m m 的沸石不 过，天然沸石作为滤料破碎磨损较大。使用前需经过一定的预处理以提高强度l 牾】。 m a t i no l d e n b u r 9 1 4 9 1 等人利用9 0 的煅烧粘土和1 0 ( 体积比) 的天然沸石作为混合 生物填料研究曝气生物滤池对市政污水处理厂出水的处理效果，研究发现混合生物填 料中的天然沸石具有缓冲进水n h 3 n 冲击负荷的能力。最高负荷达到 1 2 k g n h 3 - n ( m 3 d ) d 时，仍能使出水的n h 3 - n 的浓度为零l 同时c o d 浓度不影 响天然沸石的离子交换过程w o n s e o kc h 卸g l 如喀人分别以天然沸石和砂粒作为生 物填料研究了曝气生物滤池对纺织废水的处理效果，试验发现t 天然沸石对纺织废水 的处理效果优于砂粒；同时在水力负荷为1 8 3 m h - 1 时s s 、b o d 、c o d 和t n 的去 除率分别达到7 4 、9 9 、9 2 、9 2 另外实验还表明：曝气生物滤池对t n 的去 除效果受水力负荷( 2 3 m 1 1 1 以上) 和温度的影响较大，而对c o d 的去除效果受其 影响不大。g i s v o l d b 1 5 1 j 等人用2 个相同的上流生物过滤床处理生活废水，进行中试 试验。生活废水先进入生物膜反应器，经一定的停留时间后，流入沉淀池，沉淀池中 的上清液排入1 个蓄水池，再由泵输送上流经过生物过滤床，对滤床曝气以加强生物 硝化作用。其中一个滤床填充一种含膨胀粘附性聚合物的沸石滤料，另一个填充无离 子交换能力的普通滤料，作为仅发生硝化作用的参照滤料。结果表明，在必须考虑离 子铵负荷变化时，一种含膨胀粘附性聚合物并且具有离子铵交换能力的沸石滤料是理 想的生物硝化过滤填料。沸石滤床能够完全去除浓度是一般进水离子铵浓度2 3 倍 的高峰负荷，而普通滤料滤床的出水中仍有一个对应的浓度峰值。以沸石滤料为填料 的硝化过滤与以普通无离子交换能力的沸石为填料的硝化过滤相比，前者具有处理更 高离子铵负荷的能力。如果大规模应用中试结果仍成立，则沸石滤料可为硝化生物过 8 济南大学硕七学位论文 滤节省很多硝化费用。此外，滤床连续生物再生1 0 个月后，它的硝化性能基本不变。 静态吸附试验表明，沸石使用8 个月后仍具有和未使用前一样的吸附容量。解吸试验 表明，沸石滤料中离子铵的解吸过程是由水中较低浓度的阳离子的离子交换作用引起 的1 5 2 l 。 随着曝气生物滤池的发展以及推广，国内的学者也开始对以沸石为填料的曝气生 物滤池进行研究清华大学在国内率先进行了沸石滤料曝气生物滤池( z b a f 3 去除生 活污水中氨氮的试验研究并申请了发明专利传利号：0 2 1 1 6 3 0 7 3 ) 。田文华、文湘华【5 3 l 等人以沸石为生物填料研究了曝气生物滤池对c o d 和氨氮的去除能力结果表明：水 力负荷对氨氮去除率的影响比对c o d 和浊度去除率的影响大得多。当水力负荷由 1 1 m 七“增加到4 4m 廿1 时，c o d 去除率降低2 6