CN105771882A - 一种去除氨氮的膨润土颗粒、膨润土颗粒吸附柱及方法 - Google Patents

一种去除氨氮的膨润土颗粒、膨润土颗粒吸附柱及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种去除氨氮的膨润土颗粒、膨润土颗粒吸附柱及方法。本发明将膨润土改性，得到改性膨润土颗粒，再以改性膨润土颗粒进行填充得到膨润土颗粒吸附柱，并以膨润土颗粒吸附柱进行水体中氨氮的去除。本发明针对富营养化水体中氨氮含量高的问题，提供了便捷有效、成本合适、实用性强的脱氨氮的技术方案。

Description

一种去除氨氮的膨润土颗粒、膨润土颗粒吸附柱及方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种去除氨氮的膨润土颗粒、膨润土颗粒吸附柱及方法。
背景技术
随着我国社会的快速发展，城市化进程的不断推进带来人口数量增加、工业产业规模扩大等问题，城市周边的湖泊、河流等承担了大部分生活污水、工业废水。然而，由于污水中氮、磷含量过高，使得天然水体接纳各类废水后，其营养盐负荷超标，导致水体中藻类生物等大量繁殖，进而引发水体富营养化，加速水体老化。
天然水体氨氮污染有其特点：水量大但浓度较工业废水低。目前，低浓度氨氮的废水处理技术主要归结为两大类：一是物理化学技术，包括折点氯化法、离子交换法等；二是生物脱氮技术，即通过各种微生物作用使废水中的有机氮转化为氨态氮后，再经过硝化、反硝化作用等系列反应将其转化为氮气进入大气，最终达到脱氮目的。尽管这些方法在去除水中氨氮有一定效果，但均明显存在成本较高，占地面积大，运行管理比较麻烦等问题，难以大规模推广应用。因此研发出一种操作简便，价格低廉，效果明显的氨氮去除方法十分必要。去除水体中的氨氮是解决水体富营养化问题的关键，因此提供一种便捷有效、成本合适、实用性强的脱氮方法很有意义。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种去除氨氮的膨润土颗粒、膨润土颗粒吸附柱及方法。膨润土作为天然矿物材料，来源广阔，价格低廉，利用淀粉烧制成球，再加以改性，不仅氨氮吸附效果好，而且容易实现固液分离，同时还可以作为肥料回田进行二次利用，因此具有较强的实用价值，可以有效的解决水体富营养化问题，改善水环境。
一种去除氨氮的膨润土颗粒，由膨润土改性得到。
具体的，膨润土的改性方法包括以下步骤：
1)将膨润土和淀粉按质量比为100：2～4的比例混合，加水混合均匀搓成小球，将小球干燥后在480～550摄氏度下焙烧4～6h制成颗粒状吸附剂。
2)将步骤1)得到的颗粒状吸附剂在氯化钙溶液中改性，改性完成用纯水洗净，得到改性膨润土颗粒。
具体的，步骤1)中：小球的粒径为3～5mm；小球的干燥温度为90～110摄氏度的恒温温度；小球的干燥时间为1.5～2.5小时。
具体的，步骤2)中：颗粒状吸附剂与氯化钙溶液的用量比为4～6g/100mL；氯化钙溶液的浓度为0.08～0.11mol/L；改性时间为30～50min；改性过程在摇床中进行，转速为100～140r/min。
天然膨润土是地球上最常见的一种粘土矿物，主要成分是蒙脱石。蒙脱石的晶体结构是由上下两层硅氧四面体，中间铝氧八面体所组成的三层片状结构的粘土矿物。膨润土具有良好的膨胀性、吸附性、阳离子交换性和较大的内、外比表面积，所以膨润土具有很强的氨氮吸附能力。
粉末状的膨润土虽然吸附能力强、效果好，但是其具有很强的溶胀性，容易堵塞装置，而且粉末状膨润土沉淀性能差，吸附处理后难以实现固液分离，因此本发明利用淀粉对膨润土进行造粒，提高后续固液分离效果。同时为了进一步提高膨润土的利用率，用氯化钙对颗粒膨润土进行改性，进一步提升了颗粒膨润土的氨氮去除效果。
本发明还提供了一种去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱，包括管状载体，在所述管状载体的中段填充有膨润土颗粒段，在所述膨润土颗粒段的两端外分别填充有两层玻璃球层，在两层所述的玻璃球层外分别填充有两层玻璃棉层，在两层所述的玻璃棉层外分别设置有两个固定塞。
具体的，所述的管状载体为玻璃管、有机玻璃管、塑料管或金属管。
具体的，所述固定塞为橡胶塞或木塞。
具体的，所述膨润土颗粒段由膨润土颗粒和/或改性膨润土颗粒组成。
优选的，所述改性膨润土颗粒为本发明所提供的上述改性膨润土颗粒。
本发明还提供了去除氨氮的方法：
方法一：将本发明所提供的上述去除氨氮的膨润土颗粒分散在含氨氮水中。
具体的，以每4～6g改性膨润土颗粒分散至100mL水中，振荡1～1.5h，进行吸附。
方法二：将含氨氮水流经本发明所提供的上述去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱。
优选的，去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱竖直设置，水流自下而上流经膨润土颗粒吸附柱，进行吸附处理。
具体的，膨润土颗粒吸附柱的水力停留时间(HRT)为0.8～1.2h。
膨润土本身是性能良好的土壤改良剂，它不仅具有较强的保肥保水性能，而且还能提高土壤的缓冲能力，因此氨氮吸附饱和后的膨润土颗粒可以回田作为肥料得到进一步利用，有效地解决了吸附剂的出路问题。
有益效果
膨润土具有良好的膨胀性、吸附性、阳离子交换性和较大的比表面积，所以膨润土具有很强的氨氮吸附能力。虽然粉末状膨润土吸附效果好，但是它有一定的溶胀性，因此容易造成设备堵塞，本发明采用添加淀粉来使膨润土造成颗粒，然后填充到柱子中去除水体中的氨氮，效果显著，操作简单，在利用氯化钙改性后氨氮去除效果更好，且吸附后易实现固液分离，不影响水体的后续处理。同时，其对磷酸根也有一定的去除作用。而膨润土本身还是性质良好的土壤改良剂，因此吸附氨氮后的膨润土颗粒可以回田作为肥料，具有二次利用的价值。总体上，通过本发明所提供的技术方案能够明显降低水中氨氮的浓度。
附图说明
图1是本发明所提供的去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱的结构示意图。
图2是以本发明所提供的去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱进行水处理的一个具体的系统图。
附图1、2中，各标号所代表的部件列表如下：
1、膨润土颗粒段，2、玻璃球层，3、玻璃棉层，4、橡胶塞，5、进水槽，6、蠕动泵，7、膨润土颗粒吸附柱，8、出水槽。
图3为不同类型的膨润土对氨氮吸附的效果柱状图。
图4为氨氮起始浓度对改性和未改性膨润土颗粒吸附氨氮的影响线条图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
1)将膨润土和淀粉按重量比为100：4的比例混合，加水混合均匀搓成粒径为3mm的小球，将小球在110摄氏度的恒温温度下干燥1.5小时，干燥后在550摄氏度下焙烧4h制成颗粒状吸附剂。
2)将6g步骤1)得到的颗粒状吸附剂在100mL的浓度为0.08mol/L的氯化钙溶液中改性，改性过程在摇床中进行，改性时间为50min，摇床转速为100r/min改性，改性完成后用纯水洗净，得到改性膨润土颗粒1。
实施例2
1)将膨润土和淀粉按重量比为100：2的比例混合，加水混合均匀搓成粒径为5mm的小球，将小球在90摄氏度的恒温温度下干燥2.5小时，干燥后在480摄氏度下焙烧6h制成颗粒状吸附剂。
2)将4g步骤1)得到的颗粒状吸附剂在100mL浓度为0.11mol/L的氯化钙溶液中改性，改性过程在摇床中进行，改性时间为30min，摇床转速为140r/min改性，改性完成后用纯水洗净，改性膨润土颗粒2。
实施例3
1)将膨润土和淀粉按重量比为100：3的比例混合，加水混合均匀搓成粒径为4mm的小球，将小球在100摄氏度的恒温温度下干燥2小时，干燥后在500摄氏度下焙烧5h制成颗粒状吸附剂。
2)将5g步骤1)得到的颗粒状吸附剂在100mL的浓度为0.10mol/L的氯化钙溶液中改性，改性过程在摇床中进行，改性时间为40min，摇床转速为120r/min改性，改性完成后用纯水洗净，得到改性膨润土颗粒3。
对比例1
向4个三角瓶中分别添加5g未改性的膨润土粉末、5gCaCl2改性的膨润土粉末、5g未改性的膨润土颗粒、5gCaCl2改性的膨润土颗粒，然后向其中添加100mL10mg/L的氨氮模拟配水，置于转速为120r/min的摇床上振荡吸附1小时，再经三层滤纸过滤取样测定吸附后的氨氮浓度。
图3所示为不同处理的膨润土对氨氮的吸附效果。从中可以看出，改性的和未改性的粉末状膨润土对氨氮的吸附效率都很高，可以达到85％左右。但是在实验结束时，膨润土沉降速度慢，泥水分离时间非常长，而且滤纸过滤速度也很慢，本实验中用的是三层滤纸，如果只用一层滤纸的话，滤液中仍然有膨润土，因此，粉末状膨润土虽然氨氮吸附效果好，但是固液分离困难，不能满足排放要求，同时也影响后续处理。
同样质量的膨润土颗粒对氨氮的吸附效果有所下降，这主要是因为淀粉造粒后，虽然总质量不变，但是比表面积下降，所以影响了对氨氮的吸附效果。但是，造粒后的膨润土在吸附振荡前后水样均明显比粉末膨润土处理的水样澄清，且静置后也能迅速沉淀，恢复澄清，同粉末膨润土相比，更有利于出水直接排放或是后续处理。
为了提高颗粒膨润土的吸附效果，用CaCl2对其进行改性，可以看出，吸附效率明显提高，达到65％。
对比例2
实验室配制模拟氨氮废水，浓度分别为2mg/L、10mg/L、15mg/L、30mg/L，各取100mL置于三角瓶中，分别向其中添加5gCaCl2改性后的膨润土颗粒，然后置于摇床上在120r/min转速下振荡吸附1小时，取样测定氨氮值，考察氨氮初始浓度对颗粒状膨润土吸附效果的影响。另外用5g未改性的膨润土颗粒作对比实验。
具体实验结果如图4所示，从中可以看出，随着初始氨氮浓度的升高，氨氮的去除率也越来越高，相同质量的膨润土所吸附的氨氮总量也越来越多，说明氨氮浓度高，可以提高膨润土颗粒对氨氮的吸附动力。而且CaCl2改性后的膨润土颗粒对氨氮的吸附效果明显优于未改性的膨润土颗粒，说明CaCl2改性能够明显提高膨润土对氨氮的吸附能力。
效果例1
分别以改性膨润土颗粒1、改性膨润土颗粒2、改性膨润土颗粒3制作如图1所示的填充柱，以图2所示的系统对武汉市某湖泊水进行水质净化试验，调整转速控制水力停留时间HRT＝1h，连续运行并监测进出水氨氮浓度。表1所示为装置运行12h时的进出水氨氮浓度，从中可以看出，氨氮浓度从进水的2.68mg/L左右降低到出水的0.81mg/L左右，明显降低，其对应水质类别也从进水的劣Ⅴ类上升到出水的地表水III类标准。
表1膨润土颗粒填充柱对某湖泊水中氨氮的处理效果
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种去除氨氮的膨润土颗粒，其特征在于：由膨润土改性得到。
2.根据权利要求1所述的去除氨氮的膨润土颗粒，其特征在于：膨润土的改性方法包括以下步骤：
1)将膨润土和淀粉按质量比为100：2～4的比例混合，加水混合均匀搓成小球，将小球干燥后在480～550摄氏度下焙烧4～6h制成颗粒状吸附剂；
2)将步骤1)得到的颗粒状吸附剂在氯化钙溶液中改性，得到改性膨润土颗粒。
3.根据权利要求2所述的去除氨氮的膨润土颗粒，其特征在于，步骤1)中：小球的粒径为3～5mm；小球的干燥温度为90～110摄氏度的恒温温度；小球的干燥时间为1.5～2.5小时。
4.根据权利要求2所述的去除氨氮的膨润土颗粒，其特征在于，步骤2)中：颗粒状吸附剂与氯化钙溶液的用量比为4～6g/100mL；氯化钙溶液的浓度为0.08～0.11mol/L；改性时间为30～50min；改性过程在摇床中进行。
5.一种去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱，包括管状载体，其特征在于：在所述管状载体的中段填充有膨润土颗粒段，在所述膨润土颗粒段的两端外分别填充有两层玻璃球层，在两层所述的玻璃球层外分别填充有两层玻璃棉层，在两层所述的玻璃棉层外分别设置有两个固定塞。
6.根据权利要求5所述的去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱，其特征在于：所述膨润土颗粒段由膨润土颗粒和/或改性膨润土颗粒组成。
7.根据权利要求6所述的去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱，其特征在于，所述改性膨润土颗粒选自权利要求1至4任一所述的改性膨润土颗粒。
8.一种去除氨氮的方法，其特征在于：将权利要求1至4任一所述的去除氨氮的膨润土颗粒分散在含氨氮水中，或者，将含氨氮水流经权利要求5至7任一所述的去除氨氮的膨润土颗粒吸附柱。
9.根据权利要求8所述的去除氨氮的方法，其特征在于：每4～6g改性膨润土颗粒分散至100mL水中，振荡1～1.5h，进行吸附。
10.根据权利要求8所述的去除氨氮的方法，其特征在于：膨润土颗粒吸附柱的水力停留时间为0.8～1.2h。
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