摘要
水体富营养化是一个全球性的问题，氮超标是导致水体富营养化的主要原因之一。水中无机氮主要以硝态氮（NO3-N）、氨氮（NH3-N）和亚硝态氮（NO2-N）形式存在。硝态氮的去除方法有物理化学法、化学还原法和生物法，化学还原法能快速去除硝态氮，其中以铁还原法为代表。使用铁还原法除硝态氮时，需进一步去除还原产物氨氮，才能减少水中的总氮含量。本研究以水中的硝态氮为目标污染物，以廉价易得的铁粉和沸石为材料，研究几种不同铁粉及沸石混合吸附剂（Zero Valence Iron and Zeolite，简称为ZVIamp;Ze）除氮性能，分析ZVIamp;Ze除氮效率的影响因素，探究ZVIamp;Ze除氮的反应动力学特征，结合材料表征结果阐明反应机理，为ZVIamp;Ze法脱氮的实际应用提供了理论依据。主要研究内容及结果如下： （1）通过对市售铁粉及沸石进行筛选，发现铁粉1对硝态氮去除效果最好，沸石2经0.8mol/L NaCl溶液改性后对氨氮去除效果最佳。通过筛选实验发现，沸石与铁粉质量比为1:1，总投加量为4g/L时，在不同初始硝态氮浓度（C0=5mg/L和10mg/L）下，ZVIamp;Ze对总氮的去除效果均达到峰值，分别为44.06%和31.59%。对ZVIamp;Ze进行X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM-EDS-Mapping）分析后发现，材料由形状不规则的Fe0粉末和呈片状结构的斜发沸石粉末混合组成，材料主要元素成分为C、O、Fe、Si、Al、Na、Ca和Mg等。通过比表面积（BET）分析发现，ZVIamp;Ze的比表面积为7.12m2/g，分布在11.1nm~185.7nm的中大孔占90%以上，属于中大孔材料。 （2）通过动力学实验发现，ZVIamp;Ze除氮过程中硝态氮浓度不断下降，在24h时基本达到平衡，氨氮浓度逐渐上升，在12h时基本达到平衡。整个反应过程中，水中亚硝态氮浓度基本未检出。采用拟二阶动力学曲线模型能较好的拟合ZVIamp;Ze对水中总氮的吸附过程，表明吸附过程以化学吸附为主。减小初始硝态氮浓度、降低pH值或升高温度可提升ZVIamp;Ze去除水中氮的反应速率。pH值在3~10范围内，ZVIamp;Ze对总氮的吸附量随着pH值升高而降低。干扰离子实验表明，Mg2+、Ca2+两种阳离子会抑制总氮的去除，且阳离子浓度增大会加强抑制作用；阴离子PO43-、HCO3-、SO42-抑制ZVIamp;Ze对硝态氮和总氮的去除，其中PO43-抑制作用最大。 （3）经四个周期的循环再生实验发现，第二次再生吸附量为初次吸附量的71.20%，第四次再生吸附量仅为初次吸附量的34.6%，再生性能较差。ZVIamp;Ze用于去除实际水体中总氮时，在初始pH值为3的条件下，ZVIamp;Ze对水样1~5的总氮去除率分别为35.02%、35.06%、34.75%、61.71%和59.97%，高于不调控pH值时的去除率，此时水样中的pH值在地表水体允许的pH限值内，但需进一步处理水样中的Fe离子。经成本经济核算，ZVIamp;Ze处理含氮污水具有一定的经济应用价值。 （4）利用FTIR和XPS分析反应前后的ZVIamp;Ze样品，推测出ZVIamp;Ze去除水中硝态氮的反应机制：首先，ZVI将NO3-还原为NH4+和NO2-，生成的Fe2+可与NO2-反应生成NH4+。然后，沸石通过离子交换和静电吸附作用进一步去除氨氮，从而达到降低水中总氮含量的效果。
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