鐵錳氧化物改性硅藻土吸附過濾去除水中磷的研究

王學艷，陳 婧

(黑龍江省齊齊哈爾水文局水環(huán)境分中心，黑龍江齊齊哈爾161005)

水體中過量的磷會引起水中藻類等大量繁殖，溶解氧耗盡，從而導致富營養(yǎng)化問題，嚴重影響水體水質。隨著我國環(huán)境保護要求的不斷提高，2002年國家頒布實施《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)，要求污水廠出水達到一級A標準，而我國2006年以前建設運行的大部分污水處理廠達不到標準中對磷的排放要求，因此必須對現(xiàn)有污水處理進行升級改造以達到除磷要求。

1 水體中處理磷的現(xiàn)狀研究

1.1 常采用的除磷工藝

水處理中常見的除磷工藝有:生物法、化學沉淀法和吸附法，生物法和化學沉淀法通常對低濃度磷的去除難以奏效，而吸附法具有操作簡單、經濟高效、產泥量低的優(yōu)點，因而如何開發(fā)利用高效除磷吸附劑受到研究者的廣泛關注。鐵、鋁、錳等的金屬氧化物及其復合氧化物是研究者近年來普遍使用的一類高效綠色吸附劑，這類吸附劑雖然具有較高的吸附除磷效能，但多為粉末狀，導水性能差，難以回收利用，因而限制了其在實際工程中的應用。

1.2 改性濾料過濾技術

金屬氧化物改性濾料是一種新興的濾料，改性濾料過濾技術是近10 a才發(fā)展起來的一種新型水處理技術。通過金屬氧化物在濾料表面的物理化學反應改善濾料表面的性質或結構，從而改變原濾料顆粒表面物理化學性質，改善其截污能力，提高濾料對某些特殊物質的吸附能力，改善出水水質。這種濾料適合于普通濾池，有利于舊水廠的改造，可以實現(xiàn)污染物去除率提高的同時使投資降低。金屬氧化物改性濾料對水中的重金屬離子、有毒陰離子、總有機碳、細菌、病毒等微生物的去除效果均高于普通濾料，因而在水處理中具有很好的應用前景。

金屬氧化物改性濾料開始出現(xiàn)時所有的載體為石英砂濾料，后來出現(xiàn)的載體有沸石、海泡石、蒙脫石等，與其他載體濾料相比，硅藻土具有獨特的硅藻殼體結構，SiO2含量高達80% ～90%，比表面積大，通常在50～200 m2/g，孔隙率可達80% ～85% 與其他濾料載體相比，金屬氧化物可能更易于嵌入到硅藻土濾料中，因而改性硅藻土濾料有良好的應用于水處理工藝的潛力。

1.3 硅藻土吸附技術

關于硅藻土在水處理中的研究，近幾年來，國內外已進行了一定的探索，多集中于研究在實驗室條件下，用粉末吸附劑去除各種污染物(如有機物、重金屬、有害陰離子等)的靜態(tài)吸附影響因素、等溫線、動力學等性質。通常使用的改性劑有鐵、鋁和錳的金屬氧化物、氫氧化物、有機化合物等。在用于去除水中帶負電荷的磷酸鹽時，通常認為是提高濾料等電點(IEP，isoelectric point)，因而使用帶有正電荷的金屬氧化物或氫氧化物作為改性劑，有利于強化濾料對水中磷酸鹽的吸附。

1.4 金屬氧化物負載吸附技術

常見的金屬氧化物負載方法主要有兩種:①方法一是先制備金屬氧化物膠體，然后將其覆蓋在砂粒上，將混合物在一定溫度下烘干;②方法二是金屬氧化物膠體生成和負載同時進行，通過反復沉淀，直至完全負載為止。一般認為這種方法所制備的改性濾料較牢固，金屬氧化物含量高，表面形態(tài)復雜，比表面積大。

2 研究目標

以對水處理中常用的吸附過濾技術的改進為宗旨，選擇自然界普通存在的廉價的硅藻土濾料為載體，水處理中廣泛使用的安全綠色藥劑鐵氧化物和錳氧化物為改性劑，在硅藻土表面負載鐵錳金屬氧化物，制備出鐵錳氧化物改性硅藻土(iron-manganess oxides modified diatomite，IOMD)，在保留原有濾料污染物截留能力的基礎上，增強其表面吸附能力，強化常規(guī)過濾技術，對現(xiàn)有水廠吸附過濾技術的改進和新建水廠的指導作用均具有重要意義。

3 研究內容

3.1 顆粒化鐵錳改性硅藻土的制備

主要以自然界廣泛存在的廉價的硅藻土濾料為載體，使用鐵錳復合氧化物對濾料表面進行改性。研究適合于去除水中磷的最佳鐵錳配比和濾料改性的最佳工藝條件(改性劑的濃度、制備溫度、反應時間等)，同時研究其顆粒化(粒徑0.2～0.5 mm)成型方法。

3.2 鐵錳改性硅藻土的物化性能表征

測定改性硅藻土的物理化學穩(wěn)定性，從負載氧化物量、抗酸堿能力、pHZPC等方面考察其物化性能。采用掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDAX)、X射線衍射(XRD)及檢測技術對改性硅藻土的表面形態(tài)、表面元素組成、金屬氧化物的晶型等進行表征分析，并觀察濾料表面負載金屬氧化物(Fe、Mn等)在水中的溶出情況，進行穩(wěn)定性分析。

3.3 改性硅藻土對水中磷的吸附處理

對不同條件下制備的改性硅藻土，以水中磷酸鹽為去除對象，分別進行靜態(tài)吸附實驗。研究改性硅藻土用量、pH、溫度、接觸時間對吸附的影響及解吸再生情況，并研究其吸附類型以及吸附過程的熱力學和動力學性能，研究水中共存物質(腐殖酸、陰離子等)與磷的競爭吸附效應。并通過傅里葉紅外光譜(FTIR)和Zeta電位儀等對改性硅藻土的表面電荷性質和固液界面反應機理進行探討。

4 擬采取的技術路線、研究方案

圖1 技術路線圖

5 結論

綜上所述，國內外研究者雖然對金屬氧化物改性硅藻土吸附去除水中有機物、重金屬等進行了一定的研究，但多側重于研究實驗室條件下的靜態(tài)吸附效率、吸附容量等，而不同的制備方法和條件(如改性劑、pH、溫度等)會發(fā)生不同的反應，進而影響在濾料表面形成的氧化物結構，形成的金屬氧化物改性硅藻土的除磷能力及界面反應機理也會存在很大的差別。該研究的完成必將對現(xiàn)有污水處理廠的升級改造、地下水除砷除氟、改性濾料去除水中有機物和重金屬等方面的應用都具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

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