SCI搬运工 | 主流氨回收技术促进城市污水可持续管理
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美国《科学引文索引》(Science Citation Index, 简称 SCI )于1957 年由美国科学信息研究所(Institute for Scientific Information, 简称 ISI)在美国费城创办,是由美国科学信息研究所(ISI)1961 年创办出版的引文数据库。SCI(科学引文索引)与EI(工程索引)、ISTP(科技会议录索引)被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。
主流氨回收技术促进城市污水可持续管理
01
城市水管理中除铵的局限性
1.1
脱铵的技术局限性
1.2
铵态氮在活性氮中的能量耗费
除了由于不回收铵而损失的嵌入能量外,传统的硝化-反硝化过程是能源密集型的,通常需要能量约2.6~6.2 kWh/(kg N)。同样重要的是,反硝化需要额外的有机碳。当厌氧氨氧化由于其自养而被实现时,可以避免反硝化的假定能量损失。然而,它仍然需要电力来满足这个过程的氧气需求。考虑到:(i)Haber-Bosch法从元素氮(N2)中生产铵的能源需求;(ii)生物脱铵所需的氧气需求;以及(iii)反硝化过程中所消耗的COD中嵌入的能源。很明显,水务公司在实现其污水处理厂整体较低的能源足迹方面的一个关键方法是从主流中实现铵的节能回收。
1.3
脱铵的环境限制
如图2所示,全规模活性污泥处理装置的N2O排放量在总去除铵的0.01%~6.6%。虽然这些数值看起来很微小,但据估计,生活污水处理产生的N2O排放量约占整个城市水基础设施总温室气体排放量的14%~26%,占BNR工厂运营二氧化碳排放量的83%。据估计,与耗电量的2%~28%相比,斯堪的纳维亚废水处理厂温室气体排放占碳足迹的44%~71%。因此,废水处理中实现碳能源平衡需要显著减少一氧化二氮排放。
02
从废水中回收铵的现有技术
在过去的几十年中,人们提出了几种从废水中回收铵的方法,如表1所示。
在物理化学技术中,吸附法有可能解决现有铵回收方法的局限性。该工艺一个关键的优势在于适合并能有效地去除低初始浓度的铵。吸附的其他优点包括:(i)它是一个相对简单和快速的过程,不需要任何启动时间;(ii)它不会产生污泥;(iii)一些吸附剂已知对铵具有高亲和力和选择性;(iv)可以得到高浓度的,所以也适合于铵的侧流回收;(v)与废水温度无关的快速吸附动力学(在通常观察到的生活废水温度范围内,8~35°C),后者使吸附特别适合较冷的气候。
过去,大量的研究工作集中在低成本吸附剂的使用上,天然沸石可以说是最常见的研究材料。从技术上讲,沸石可以通过多种方式进行改性,例如:(a)用NaCl预处理以提高离子交换容量和效率;(b)加入磁性颗粒以增加吸附位点和磁性;(c)利用表面活性剂涂层进行表面改性;(d)合成具有一定孔径和粒度分布的沸石。为减少盐需求,从离子交换过程中回收和再利用废再生剂。尽管有缺点,但沸石能够快速且不受温度影响地去除很低浓度的铵,这意味着沸石工艺为开发新型的、适合生活污水回收主流铵的吸附剂提供了良好的基础。
03
开发专用吸附剂实现生活污水主流氨氮回收
考虑到上述所要求的特性,聚合物基材料具有特殊的意义。根据官能团,聚合物吸附剂可分为非离子型、阳离子型或阴离子型;非离子交联聚合物(如聚环氧乙烷)可作为凝胶排阻媒介。另一方面,离子交联聚合物可用于选择性结合有相反电荷的分子(即阳离子结合在阴离子聚合物上)无需离子置换(如沸石和离子交换树脂),从而促进目标离子的结合。
聚合物吸附剂正在向高选择性和高吸附容量方向发展,希望具有较好的防污能力,进行可连续进行的主流操作,以及聚合物吸附剂无需大量化学物质的再生能力。
05
结论
推荐参考:
Cruz H, Law Y, Guest J S, et al. Mainstream ammonium recovery to advance sustainable urban wastewater management[J]. Environmental Science & Technology, 2019.
最新工程应用于实践汇编2019年第6期
本期所检索文献的发表时间范围:
2019年7月20日~2019年9月20日
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