氨氮弱吸附滤料筛选与基于氮素资源化的沼液悬浮物过滤预处理研究
发布时间：2021-01-07 12:36
在去除沼液悬浮物（SS）的同时,最大程度地保留其氮素养分是提高沼液资源化利用价值的关键。通过静态吸附-解吸试验筛选出弱吸附氨氮的过滤介质,然后利用滤料填充柱动态过滤试验分析筛选滤料填充柱对沼液SS和氨氮浓度的影响。结果表明,在海砂（SSD）、沸石（ZLT）、石英砂（QSD）和氧化铝废渣（GRM）4种供试滤料中,QSD对溶液氨氮的吸附能力最低,脱附率接近SSD,且远小于ZLT和GRM。按2.4 L·h-1流量进水,沼液经QSD滤料填充柱动态过滤处理后,SS去除率最高可达86.1%,0.5～1 mm粒径QSD填充柱对SS去除率普遍高于3～5 mm粒径QSD填充柱,两种粒径QSD填充柱对沼液氨氮的去除效果无明显区别;运行24 h时滤料填充柱自进水端开始出现堵塞现象,32 h后3～5 mm粒径QSD填充柱堵塞严重;若要达到沼液SS相同去除效果,0.5～1 mm粒径QSD填充柱较3～5 mm粒径QSD填充柱具有运行时间更持久和滤料层填充高度更小的优势;0.5～1 mm粒径QSD填充柱对SS去除率超过80%,且未显著吸附截留沼液氨氮,适合作为沼液SS过滤预处理单元且有利于后续...
【文章来源】：生态与农村环境学报. 2020,36(09)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
滤料填充柱实验装置示意
根据4种滤料氨氮等温吸附实验结果绘制吸附等温曲线(图2)。结果表明,滤料对氨氮的吸附量均表现出随氨氮平衡浓度增加而增加趋势;究其原因,在较高氨氮初始浓度下产生了较大的浓度梯度,克服NH4+从液相转移到固相中的驱动力加大[29]。在溶液氨氮浓度试验范围内,相同浓度条件下滤料ZLT的氨氮吸附量显著高于其他3种滤料,且随着氨氮浓度升高,ZLT氨氮吸附量与其他3种滤料间绝对差异也增大。在相同氨氮初始浓度下,ZLT吸附等温曲线上升较快,平衡浓度低。当氨氮初始浓度为400 mg·L-1时,ZLT对氨氮的吸附量达到最大值。当氨氮初始浓度小于100 mg·L-1时,QSD滤料氨氮吸附量明显低于SSD和GRM滤料,当氨氮初始浓度超过100 mg·L-1时,QSD滤料氨氮吸附量仍然低于SSD滤料,而与GRM滤料相近。因此,不论氨氮浓度低还是高,QSD滤料对氨氮的吸附能力为供试滤料中最低的,利用QSD滤料对养殖粪污沼液进行过滤处理,对氨氮的吸附作用最弱。恒温条件下固体表面发生的吸附现象,可采用吸附等温模型来表征单位质量固体(吸附剂)所吸附的吸附质与溶液中剩余吸附质平衡浓度之间的关系。常用的吸附等温模型有Langmuir和Freundlich模型。滤料对氨氮吸附等温曲线拟合参数见表1。
沼液过滤通量为212.2 L·m-2·h-1,经填充柱过滤后,不同高度滤层沼液SS浓度动态变化见图3。0.5～1和3～5 mm两种粒径QSD填料柱各层滤出沼液SS浓度均随填料层高度增加呈降低变化趋势,这是因为动态过滤填料柱为上流式进水,沼液SS首先被下层滤料过滤截留,随沼液所至填料层高度越高,其所经过的流程越长,沼液SS去除率就越高。3～ 24 h时滤液SS浓度随时间延长基本呈增加趋势。24 h时,0.5～1 mm粒径QSD滤料填充柱各层滤液、3～5 mm粒径QSD滤料填充柱60 cm以下各层滤液SS较3和12 h时相应层滤液SS浓度显著升高(P<0.01,图3)。从24 h时0.5～1 mm粒径QSD滤料填充柱各层滤液SS浓度分布来看,10 cm滤料层取水孔堵塞,无水样可取,20～40 cm滤料层滤液SS浓度增幅较大,说明沼液经0.5～1 mm粒径QSD滤柱过滤24 h后下层开始发生堵塞现象。32 h时0.5～1 mm粒径QSD填充柱滤液SS浓度较24 h时滤液SS浓度显著降低(P<0.01),这可能与24 h后滤料层堵塞致使滤料间隙减小,形成滤饼层提高了SS去除效果有关。此现象与张智烨等[26]的研究结果相同。运行至24 h后,3～5 mm粒径QSD滤料填充柱下层10、30和50 cm滤料层因堵塞无滤液可取;20和40 cm滤料层所取滤液SS浓度很高,超过10 000 mg·L-1;60 cm及以上滤料层受下层堵塞的影响,滤液SS浓度显著降低(P<0.01),接近3 h时滤液SS浓度。32 h时,3～5 mm粒径QSD滤料填充柱各层完全堵塞,均无滤液可取。滤料间隙形成的滤饼层在短期内提高了SS的去除效果;但是随着时间的推移,进水压力的驱动使得滤饼层沿水流路径发展,直到孔隙完全淤堵,这也是水流率先到达的滤料层滤液SS浓度骤然增加而后无滤液的主要原因。
【参考文献】：
期刊论文
[1]玉米秸秆滤料对猪粪发酵沼液过滤效果[J]. 张智烨,李国学,袁京,孙巧萍,罗渊,张地方. 环境工程学报. 2016(04)
[2]沼液回流对牛粪厌氧发酵产气特性及其动力学的影响[J]. 吴树彪,黎佳茜,李伟,董仁杰. 农业机械学报. 2015(10)
[3]反渗透浓缩沼液预处理试验研究[J]. 梁康强,朱民,林秀军,孙宇. 中国沼气. 2013(02)
[4]大棚西瓜沼液滴灌施肥技术[J]. 薛瑞祥,周桂官,苏生平. 中国瓜菜. 2013(01)
[5]2011年大中型沼气产业发展报告[J]. 屠云璋,吴兆流. 太阳能. 2012(02)
[6]畜禽养殖废弃物沼液的浓缩及其成分[J]. 宋成芳,单胜道,张妙仙,文先红. 农业工程学报. 2011(12)
[7]沼液滴灌技术的工艺探索与研究[J]. 孙钦平,李吉进,刘本生,邹国元,刘宝存. 中国沼气. 2011(03)
[8]微滴灌施用沼液技术在草莓生产中的应用效果[J]. 商春刚. 现代农业科技. 2008(14)
[9]pH对剩余污泥厌氧发酵产生的COD、磷及氨氮的影响[J]. 苑宏英,张华星,陈银广,周琪. 环境科学. 2006(07)
[10]滤料粒径对过滤的影响[J]. 汤利华. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版). 2000(03)
硕士论文
[1]沼液滴灌系统灌水器堵塞特性及控制方法研究[D]. 夏彬芸.华中农业大学 2019
[2]沼液过滤及鸟粪石沉淀法回收氮磷试验研究[D]. 李爱秀.中国农业科学院 2018
[3]氨氮在黄土包气带中吸附解吸特征和影响因素探讨[D]. 李慧.长安大学 2014
[4]畜禽粪便沼液预处理及磷酸铵镁法回收磷的研究[D]. 马泉智.中国地质大学（北京） 2013
[5]沼液纳滤膜浓缩技术及其液体有机肥开发研究[D]. 徐国锐.浙江大学 2012
本文编号：2962568
【文章来源】：生态与农村环境学报. 2020,36(09)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
滤料填充柱实验装置示意
根据4种滤料氨氮等温吸附实验结果绘制吸附等温曲线(图2)。结果表明,滤料对氨氮的吸附量均表现出随氨氮平衡浓度增加而增加趋势;究其原因,在较高氨氮初始浓度下产生了较大的浓度梯度,克服NH4+从液相转移到固相中的驱动力加大[29]。在溶液氨氮浓度试验范围内,相同浓度条件下滤料ZLT的氨氮吸附量显著高于其他3种滤料,且随着氨氮浓度升高,ZLT氨氮吸附量与其他3种滤料间绝对差异也增大。在相同氨氮初始浓度下,ZLT吸附等温曲线上升较快,平衡浓度低。当氨氮初始浓度为400 mg·L-1时,ZLT对氨氮的吸附量达到最大值。当氨氮初始浓度小于100 mg·L-1时,QSD滤料氨氮吸附量明显低于SSD和GRM滤料,当氨氮初始浓度超过100 mg·L-1时,QSD滤料氨氮吸附量仍然低于SSD滤料,而与GRM滤料相近。因此,不论氨氮浓度低还是高,QSD滤料对氨氮的吸附能力为供试滤料中最低的,利用QSD滤料对养殖粪污沼液进行过滤处理,对氨氮的吸附作用最弱。恒温条件下固体表面发生的吸附现象,可采用吸附等温模型来表征单位质量固体(吸附剂)所吸附的吸附质与溶液中剩余吸附质平衡浓度之间的关系。常用的吸附等温模型有Langmuir和Freundlich模型。滤料对氨氮吸附等温曲线拟合参数见表1。
沼液过滤通量为212.2 L·m-2·h-1,经填充柱过滤后,不同高度滤层沼液SS浓度动态变化见图3。0.5～1和3～5 mm两种粒径QSD填料柱各层滤出沼液SS浓度均随填料层高度增加呈降低变化趋势,这是因为动态过滤填料柱为上流式进水,沼液SS首先被下层滤料过滤截留,随沼液所至填料层高度越高,其所经过的流程越长,沼液SS去除率就越高。3～ 24 h时滤液SS浓度随时间延长基本呈增加趋势。24 h时,0.5～1 mm粒径QSD滤料填充柱各层滤液、3～5 mm粒径QSD滤料填充柱60 cm以下各层滤液SS较3和12 h时相应层滤液SS浓度显著升高(P<0.01,图3)。从24 h时0.5～1 mm粒径QSD滤料填充柱各层滤液SS浓度分布来看,10 cm滤料层取水孔堵塞,无水样可取,20～40 cm滤料层滤液SS浓度增幅较大,说明沼液经0.5～1 mm粒径QSD滤柱过滤24 h后下层开始发生堵塞现象。32 h时0.5～1 mm粒径QSD填充柱滤液SS浓度较24 h时滤液SS浓度显著降低(P<0.01),这可能与24 h后滤料层堵塞致使滤料间隙减小,形成滤饼层提高了SS去除效果有关。此现象与张智烨等[26]的研究结果相同。运行至24 h后,3～5 mm粒径QSD滤料填充柱下层10、30和50 cm滤料层因堵塞无滤液可取;20和40 cm滤料层所取滤液SS浓度很高,超过10 000 mg·L-1;60 cm及以上滤料层受下层堵塞的影响,滤液SS浓度显著降低(P<0.01),接近3 h时滤液SS浓度。32 h时,3～5 mm粒径QSD滤料填充柱各层完全堵塞,均无滤液可取。滤料间隙形成的滤饼层在短期内提高了SS的去除效果;但是随着时间的推移,进水压力的驱动使得滤饼层沿水流路径发展,直到孔隙完全淤堵,这也是水流率先到达的滤料层滤液SS浓度骤然增加而后无滤液的主要原因。
【参考文献】：
期刊论文
[1]玉米秸秆滤料对猪粪发酵沼液过滤效果[J]. 张智烨,李国学,袁京,孙巧萍,罗渊,张地方. 环境工程学报. 2016(04)
[2]沼液回流对牛粪厌氧发酵产气特性及其动力学的影响[J]. 吴树彪,黎佳茜,李伟,董仁杰. 农业机械学报. 2015(10)
[3]反渗透浓缩沼液预处理试验研究[J]. 梁康强,朱民,林秀军,孙宇. 中国沼气. 2013(02)
[4]大棚西瓜沼液滴灌施肥技术[J]. 薛瑞祥,周桂官,苏生平. 中国瓜菜. 2013(01)
[5]2011年大中型沼气产业发展报告[J]. 屠云璋,吴兆流. 太阳能. 2012(02)
[6]畜禽养殖废弃物沼液的浓缩及其成分[J]. 宋成芳,单胜道,张妙仙,文先红. 农业工程学报. 2011(12)
[7]沼液滴灌技术的工艺探索与研究[J]. 孙钦平,李吉进,刘本生,邹国元,刘宝存. 中国沼气. 2011(03)
[8]微滴灌施用沼液技术在草莓生产中的应用效果[J]. 商春刚. 现代农业科技. 2008(14)
[9]pH对剩余污泥厌氧发酵产生的COD、磷及氨氮的影响[J]. 苑宏英,张华星,陈银广,周琪. 环境科学. 2006(07)
[10]滤料粒径对过滤的影响[J]. 汤利华. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版). 2000(03)
硕士论文
[1]沼液滴灌系统灌水器堵塞特性及控制方法研究[D]. 夏彬芸.华中农业大学 2019
[2]沼液过滤及鸟粪石沉淀法回收氮磷试验研究[D]. 李爱秀.中国农业科学院 2018
[3]氨氮在黄土包气带中吸附解吸特征和影响因素探讨[D]. 李慧.长安大学 2014
[4]畜禽粪便沼液预处理及磷酸铵镁法回收磷的研究[D]. 马泉智.中国地质大学（北京） 2013
[5]沼液纳滤膜浓缩技术及其液体有机肥开发研究[D]. 徐国锐.浙江大学 2012
本文编号：2962568
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