改性粉煤灰處理含磷生活污水試驗

李 鵬,王 偉,侯長容

(1.重慶工商大學環境與生物工程學院,重慶 400067;2.重慶市永川區環境保護局,重慶 402168)

改性粉煤灰處理含磷生活污水試驗

李 鵬1,王 偉2,侯長容2

(1.重慶工商大學環境與生物工程學院,重慶 400067;2.重慶市永川區環境保護局,重慶 402168)

為了防止水體富營養化和有效處理生活污水,以改性粉煤灰為吸附劑,對含磷生活污水進行吸附脫磷試驗,并研究粉煤灰粒徑、投加量、pH值、溫度、振蕩強度以及吸附時間等因素對脫磷效果的影響。結果表明:在粉煤灰粒徑為160～200目、投加量為25g/L、溶液pH值為3.5、水溫為50℃的條件下,對磷質量濃度為6.8mg/L的生活污水,以140r/min的強度振蕩吸附150min,磷的去除率可高達95.3%,水樣中的磷質量濃度降至0.5mg/L以下。

改性粉煤灰;吸附;含磷生活污水;去除率

隨著生產力發展和人們生活水平提高,含磷產品被大量使用,生活污水中磷的含量日益增加。由于磷是導致水體富營養化的主要污染物[1],大量的磷進入水體必將會導致水體污染加劇。國內外研究表明,粉煤灰中存在大量Al、Si等活性點,能與吸附質通過化學鍵結合,同時粉煤灰的結構多孔,比表面積較大,具有相當大的吸附能力,因而在廢水處理方面具有廣闊的應用前景[2]。粉煤灰有時甚至可代替活性炭、硅膠等作為專用吸附劑[3],不但能夠去除磷,同時還能提高粉煤灰的利用率。目前,國內外對于粉煤灰除磷的研究還處在試驗階段,沒有運用到生產實踐中。另外,原狀粉煤灰的凈化效果不是很好,而通過改性處理后的粉煤灰可以使吸附性能大大提高[4]。筆者主要通過對粉煤灰進行酸性活化改性,進而處理含磷生活污水,以期為粉煤灰在生活污水處理方面的應用帶來更加廣闊的前景,同時也為尋求一種更有效的生活污水處理方法提供依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器:AR2140電子分析天平;722E型可見分光光度計;SHA-B恒溫水浴振蕩器;101-2AB電熱鼓風干燥箱;SX2-5-12高溫箱形電阻爐;510pH計;醫用手提式蒸氣消毒器。

試劑:氫氧化鈉;鹽酸;硫酸;鉬銨酸;過硫酸鉀;酒石酸銻鉀;抗壞血酸;磷酸二氫鉀,以上試劑均為分析純。

1.2 材料

粉煤灰:取自重慶某熱電廠。其基本組成為:Al2O3占25.10%,Fe2O3占3.71%,SiO2占59.82%,CaO占1.03%,MgO占1.22%,Na2O占0.43%,K2O占2.14%,燒失量占6.75%。

生活污水水樣:取自重慶某污水處理廠。其水質狀況為:ρ(TP)=6.8mg/L、ρ(NH3-N)=175mg/L、pH=6.52,ρ(CODCr)=90.56mg/L,ρ(BOD5)=85.72 mg/L,ρ(TSS)=45mg/L 。

1.3 方法

a.改性粉煤灰的制備。稱取過80～200目篩的粉煤灰100g,加入NaOH固體10g,混合均勻后移至瓷坩堝內于600℃高溫爐中,加熱6h,然后取出加入200g水進行熱沖擊,待冷卻后再加入20g濃鹽酸,于室溫下反應6h,保持混合液pH≤3,于室溫下攪拌24h,過濾,用水充分浸泡、洗滌至濾液呈中性且不含Cl-(取濾液加入適量硝酸銀溶液,清亮透明),在120～130℃烘干備用。

b.污水處理實驗方法。取100mL含磷生活污水于錐形瓶中,加入一定量的改性粉煤灰,調節實驗條件,在恒溫水浴振蕩器上振蕩一定時間后,測定污水中磷的濃度,計算磷去除率,并研究不同條件下改性粉煤灰對污水中磷的去除效果。試驗過程中主要考察粉煤灰粒徑、粉煤灰投加量、時間、溫度、pH值和振蕩強度等因素對磷去除效果的影響。

c.標準曲線的繪制。取7支具塞刻度管,分別加入 0、0.50、1.00、3.00、5.00、10.00、15.00mL 質量濃度為2 mg/L的磷酸二氫鉀標準溶液,加水至25 mL,再加入50g/L的過硫酸鉀4mL,將具塞刻度管的蓋塞緊后,用一小塊紗布和線將玻璃塞扎緊,放入燒杯中于120℃下消解30min,取出,待冷卻后用蒸餾水稀釋至標線,加入100g/L抗壞血酸溶液1mL,30s后加入鉬酸鹽溶液,于波長700nm處以水做參比測定吸光度,以磷的含量為x軸,吸光度A為y軸繪制磷標準曲線,所得的磷標準曲線公式為:

d.計算方法。磷的去除率按以下公式計算

式中:η為粉煤灰對磷的去除率;ρ為吸附前磷的濃度;ρe為吸附后磷的濃度。

2 結果與討論

2.1 改性前、后粉煤灰除磷效果的比較

取100mL含磷生活污水于錐形瓶中,分別加入相同質量改性前、后的粉煤灰,調節 pH=6,在30℃溫度下于恒溫水浴振蕩器上振蕩一定時間后,測定污水中磷的質量濃度,計算磷去除率。結果如表1所示。

表1 改性前、后粉煤灰除磷效果的比較

由表1可見,沒經過改性的粉煤灰對污水中磷的去除率較低,僅有27.5%。而改性過后的粉煤灰對磷的去除率高達45.15%,和不改性的粉煤灰對比,大大地提高了磷的去除效果。

2.2 粉煤灰粒徑對磷去除效果的影響

取100mL水樣6份于250mL錐形瓶中,分別加入2.0g不同粒徑的改性粉煤灰于各錐形瓶中,調節pH值為6.5,在20℃溫度下于恒溫振蕩器振蕩120 min,振速為140r/min,過濾,取其濾液測定總磷質量濃度,研究不同粒徑的改性粉煤灰對磷去除的效果,結果如圖1所示。

圖1 粉煤灰粒徑與磷去除率的關系

由圖1可見,不同粒徑的改性粉煤灰對磷的去除效果不同,粒徑小于200目時,磷的去除率隨著粒徑目數的增大而增大;在160～200目時,對磷的吸附效果最好;粒徑大于200目時,磷的去除率反而下降。這可能是由于粉煤灰表面自由能過高,粉煤灰之間相互吸附,特別是對較細顆粒的吸附。另外,粉煤灰過細,在過濾時無法達到固液分離的效果,因而在一定程度上也會影響吸光度的測定,從而影響磷質量濃度的測定。一般說來,吸附劑顆粒越細,越有利于吸附,去除率越高[5]。

2.3 粉煤灰投加量對磷去除效果的影響

取100mL水樣6份于250mL錐形瓶中,依次稱取不同質量的粉煤灰(160～200目)于各錐形瓶中,調節pH值為6.5,在20℃溫度下于恒溫振蕩器振蕩120min,振速為140r/min,過濾,取其濾液測定總磷質量濃度,研究不同粉煤灰投加量對磷去除效果的影響,結果如圖2所示。

圖2 粉煤灰投加量與磷去除率的關系

由圖2可見,粉煤灰的投加量對磷的去除效果比較明顯,粉煤灰的投加量從1.0g增加到2.5g,磷的去除率由34.1%增加到了46%以上;粉煤灰的投加量超過2.5g后,繼續增加粉煤灰的用量,磷的去除率增加效果不是很明顯。因此,選擇2.5g為粉煤灰的最佳投加量。

2.4 振蕩時間對磷去除效果的影響

取100mL水樣6份于250mL錐形瓶中,分別加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),調節pH值為6.5,在20℃溫度下于恒溫振蕩器分別振蕩不同的時間,振速為140 r/min,過濾,取其濾液測定總磷質量濃度,研究不同振蕩時間對磷去除效果的影響,結果如圖3所示。

圖3 振蕩時間與磷去除率的關系

由圖3可見,粉煤灰對磷的吸附受振蕩時間的影響很大,振蕩時間越長,磷去除率越高,振蕩時間小于150min時,磷的去除率隨振蕩時間的增加而增大;振蕩時間超過150min后,磷的去除率基本保持不變,說明此時粉煤灰對磷的吸附已接近飽和。

2.5 溫度對磷去除效果的影響

取100mL水樣6份于250mL錐形瓶中,分別加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),調節pH值為6.5,在不同溫度下于恒溫振蕩器振蕩150min,振速為140r/min,過濾,取其濾液測定總磷質量濃度,研究不同溫度對磷去除效果的影響,結果如圖4所示。

圖4 溫度與磷去除率的關系

由圖4可見,溫度升高有利于磷的吸附,溫度小于60℃時,隨著溫度的升高,磷的去除率逐漸增大,在30～50℃時,磷的去除率增加很明顯,由原來的57%上升到66%以上;溫度超過50℃后,磷的去除率增加緩慢,并趨向于飽和。粉煤灰的吸附是一動力學過程,吸附過程中發生了吸熱反應,升高溫度,對吸附有利的粉煤灰表面的帶電中心增加;在吸附過程中,溶質從溶液中擴散到粉煤灰的表面,溫度升高,分子運動加劇,易于克服吸附活化能而被吸附[6]。

2.6 pH值對磷去除效果的影響

取100mL水樣6份于250mL錐形瓶中,分別加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),調節不同的pH值,在50℃溫度下于恒溫振蕩器振蕩150min,振速為140r/min,過濾,取其濾液測定總磷質量濃度,研究不同pH值對磷去除效果的影響,結果見圖5。

圖5 pH值與磷去除率的關系

由圖5可見,pH值對磷去除效果的影響很大,pH過小或過大都不利于粉煤灰對磷的吸附。當pH值在3～4之間時,磷的去除率達到91%以上,此pH范圍的粉煤灰的吸附效果最佳;超出此范圍時,磷的去除率會急劇下降。這可能是由于粉煤灰中含有大量的堿性氧化物等活性成分,在強酸性環境中,溶液中的H+會使這些堿性氧化物失活,從而降低粉煤灰對磷的吸附能力;在堿性條件下,溶液中過多的OH-會與磷酸根離子競爭粉煤灰上的活性中心。另外,高pH值條件下,粉煤灰表面聚集大量負電荷,由于靜電斥力的影響使磷酸根離子不易于接近粉煤灰顆粒表面,因而也會影響到粉煤灰對磷的吸附能力[7]。

2.7 振蕩強度對磷去除效果的影響

取100mL水樣6份于250mL錐形瓶中,分別加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),調節pH值為3.5,在不同振速下于恒溫振蕩器振蕩150min,溫度控制為50℃,過濾,取其濾液測定總磷質量濃度,研究不同振蕩強度對磷去除效果的影響,結果見圖6。

圖6 振蕩速度與磷去除率的關系

由圖6可見,隨振蕩速度的增加,粉煤灰對磷的吸附效果越來越好,但當達到一定的振蕩強度后,繼續增加振蕩速度,磷的吸附效果反而會呈現下降趨勢。當振蕩速度為140r/min時,對磷的去除率可達95.3%,水樣中的磷質量濃度在0.5mg/L以下,可達到GB9878—1996《污水綜合排放標準》一級標準。

3 結 語

a.和不改性的粉煤灰對比,改性后的粉煤灰對磷的吸附效果較好,磷的去除率增加顯著。

b.利用酸性活化改性后的粉煤灰對污水中磷的吸附具有較好的吸附效果。經酸處理后的粉煤灰釋放出大量的Al3+和Fe3+能有效降低或消除水中懸浮顆粒的電位,使懸浮顆粒脫穩,同時經酸處理的粉煤灰顆粒表面形成許多凹槽和孔洞,能加強吸附這些脫穩的膠體顆粒[8]。

c.改性粉煤灰對污水中磷的吸附受到粉煤灰粒徑、投加量、pH值、溫度、振蕩強度以及吸附時間等因素的影響。在粉煤灰粒徑為160～200目、投加量為25g/L、溶液pH值為3.5、水溫50℃的條件下,對磷質量濃度為6.8mg/L的生活污水,以140 r/min的強度振蕩吸附150 min,磷的去除率可高達95.3%,水樣中的磷質量濃度降至0.5mg/L以下,符合GB9878—1996《污水綜合排放標準》一級標準。

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Study on removal of phosphorus from domestic wastewater by modified fly ash

LI Peng1,WANG Wei2,HOU Chang-rong2
(1.College of Environment and Biological Engineering,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China;2.Environmental Protection Agency of Yongchuan,Chongqing 402168,China)

To prevent eutrophication and to treat domestic wastewater effectively,the experiment of removing phosphorus from domestic wastewater was carried out using modified fly ash as an absorbent.The effects of fly ash size,fly ash dosing quantity,pH value,temperature,oscillating strength and adsorption time were studied.The results showed that when the fly ash size ranged from 160 mesh to 200mesh,the fly ash dosing quantity was 25g/L,pH value was 3.5,the temperature was 50℃,the concentration of phosphorus in the domesticwastewater was6.8mg/L,the oscillating strength was 140 r/min,and the adsorption time was 150 minutes,the removal efficiency of phosphorus could reach 95.3%and the concentration of phosphorus could reduce to 0.5 mg/L.

fly ash;modification;adsorption;domestic wastewater containing phosphorus;removal efficiency

X703

A

1004-6933(2011)03-0065-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.016

李鵬(1985—),男,湖北石首人,碩士研究生,研究方向為廢棄資源的綜合利用。E-mail:ockeyze@126.com

(收稿日期:2010-08-27 編輯:徐 娟)