改性凈水污泥處理含磷廢水的效能研究

祝成成

[摘要]采用經(jīng)過濃硫酸改性后的凈水污泥，與外加添加劑混合，焙燒制備成陶粒用于含磷廢水的吸附特性的研究，通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)考察了投加量、吸附時(shí)間、pH值、廢水含磷濃度等因素對(duì)除磷效果的影響。研究結(jié)果表明，硫酸改性凈水污泥制備的陶粒比未改性前對(duì)除磷效果好，可以作為污水的磷吸附材料。

[關(guān)鍵詞]凈水廠污泥;改性;吸附;含磷廢水

[中圖分類號(hào)]X832 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

本文采用吸附法除磷，將凈水廠廢棄的污泥通過外加添加劑制備成陶粒，用于含磷廢水的去除，做到了變廢為寶，為凈水廠污泥的處理開辟了一條新途徑。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 污泥

試驗(yàn)用污泥取自某自來水廠，其主要化學(xué)成分見表1，其中凈水污泥的化學(xué)成分由實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)得。

1.2? ? 主要試劑與儀器

試劑：KH2PO4 （南京化學(xué)試劑有限公司） ;Na2SiO3 （吳江市今日化工有限公司） ;NaOH（江蘇南新助劑廠）;濃H2SO4（南京化學(xué)試劑有限公司） ;抗壞血酸（上海試四赫維化工有限公司）;鉬酸銨（合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)試劑廠）;聚乙烯纖維（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）等。試驗(yàn)用水為超純水。

儀器：101A型電熱恒溫干燥箱（上海瀘司實(shí)驗(yàn)儀器有限公司） ;HY-1往返式振蕩儀（江蘇省鹽城市科學(xué)儀器廠） ;TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器公司） ;RX（JN）-8-13箱式節(jié)能電阻爐（配三相人工智能溫度程序精密控制儀） （宜興市環(huán)宇爐業(yè)有限公司） ;FA2004型電子天平（上海良平儀器儀表有限公司）;pHs-3c精密pH計(jì)（上海精密化學(xué)儀器有限公司）等。

1.3? ? 試驗(yàn)方法

1.3.1? ? 凈水污泥改性試驗(yàn)。用100目的篩子過篩凈水污泥后，準(zhǔn)確稱量40g，再分別用H2SO4、NaCl、NaOH、HCl濃度分別為0mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L、2.5mol/L及3.0mol/L四種改性劑混均制成凈水污泥陶粒，用制粒機(jī)控制粒徑在3～5mm，于105℃下干燥2h，用RX（JN）-8-13箱式節(jié)能電阻爐調(diào)到1160℃燒結(jié)成陶粒，保溫時(shí)間5min，然后待自然冷卻到1000℃后，打開箱式智能電阻爐的爐門，使其自然冷卻至室溫，然后分別投入到配置好的模擬含磷廢水中，經(jīng)振蕩器振蕩?kù)o置后，參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定總磷，然后計(jì)算出磷的去除率。

1.3.2? ? 吸附試驗(yàn)。取濃度為50mg/L的模擬含磷廢水50ml于100ml閉塞管中，加入一定量的改性污泥，設(shè)置150r/min轉(zhuǎn)速常溫常壓下振蕩，每隔30min取一次樣，靜置并取上清液過0.45μm混合纖維微孔濾膜，取適量上清液參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定總磷的濃度。

磷的去除率（%），其中為溶液中磷的初始濃度，mg/L;為污泥吸附后水樣含磷的濃度，mg/L。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? ? 凈水污泥的改性工藝

按照1.3.1的試驗(yàn)方法，用不同濃度的改性劑對(duì)凈水污泥處理后對(duì)磷的去除率，結(jié)果如圖1所示。用確定的改性劑與不同質(zhì)量比的凈水污泥對(duì)水中磷的去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖1可見，相同改性方法下，H2SO4改性的凈水污泥對(duì)磷的去除效果最好。隨著改性劑濃度的升高， NaOH改性的凈水污泥去除效果越來越差，NaCl改性的凈水污泥去除變化不大，HCl改性的凈水污泥去除率先增后減，而H2SO4改性凈水污泥去除效果明顯增加。

由圖2可見，1 mol/L的濃硫酸與凈水污泥粉末的質(zhì)量比為1：80時(shí)，改性凈水污泥對(duì)磷的去除效果最好，故本實(shí)驗(yàn)采用改性劑與凈水污泥的量為1：80。

2.2? ? 吸附劑用量對(duì)除磷效果的影響

一般來說，改性污泥用量越多，總的吸附能力越大，凈化效果也就越好，但考慮到經(jīng)濟(jì)上的制約，需要通過試驗(yàn)找出最佳投加量。各0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0g的改性污泥和原污泥投入濃度為10 mg/L的模擬含磷水樣100mL閉塞管中，按照1.3.2的方法進(jìn)行試驗(yàn)所得結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，隨著投加量的增加，P的去除率迅速增加，投加量與磷的去除率正相關(guān)。當(dāng)污泥的投加量增加至2.0g以上時(shí)，去除率提高不明顯，因此可以認(rèn)為此時(shí)隨著吸附劑投加量的增加，吸附劑表面發(fā)揮吸附作用的官能團(tuán)也隨之增加，而改性污泥吸附能力比原污泥的吸附能力較強(qiáng)，可能是表面發(fā)揮吸附作用的官能團(tuán)比原污泥較多，所以改性污泥吸附的速度比原污泥快。繼續(xù)增加原污泥和改性污泥的投加量，水中磷的去除率基本保持不變，這是由于溶液中磷離子與原污泥和改性污泥表面的磷離子達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。

2.3? ? 吸附時(shí)間對(duì)除磷效果的影響

取原凈水污泥和除磷效果最好的改性污泥2.0g，加入50ml濃度為10mg/L的模擬磷廢水中，常溫下在150r/min振蕩，每隔30min取一次樣后按1.3.2的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，磷的去除率增大。其中在90～240min的吸附時(shí)間范圍內(nèi)，磷的去除率增長(zhǎng)最快，達(dá)到240min后，磷酸鹽的吸附基本達(dá)到最大值，其后去除磷的效果沒有明顯變化，甚至出現(xiàn)略有下降的現(xiàn)象，可能是吸附不牢固，磷被解吸出來。

原污泥的吸附平衡時(shí)間與改性污泥吸附平衡時(shí)間相差不大，可能是因?yàn)榱蛩岬母男?，使酸性增?qiáng)，不利于較快的吸附。

2.4? ? 廢水pH對(duì)除磷效果的影響

取50ml濃度為10 mg/L的模擬磷廢水，調(diào)節(jié)其pH分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14。保持投加量和反應(yīng)時(shí)間一定的條件下，按照1.3.2的方法進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖5。

從圖5可以看出，反應(yīng)初期溶液的磷酸鹽快速吸附到吸附劑的表面，在中性或偏酸性條件下，水中的磷以PO43-的形式存在，凈水污泥中含有大量的Si、Al等金屬活性點(diǎn)，可以通過化學(xué)鍵結(jié)合或靜電吸附作用吸附PO43-，對(duì)磷的吸附性能穩(wěn)定，對(duì)水中磷的去除率也較高;在堿性條件下，污泥對(duì)水中磷的去除速率最慢，可能是其表面基團(tuán)呈酸性，因OH-吸附而帶負(fù)電，從而使HPO42-不易吸附，導(dǎo)致了污泥對(duì)水中磷的吸附下降。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，改性凈水污泥比原污泥對(duì)磷的吸附效果好。

2.5? ? 廢水含磷濃度對(duì)除磷效果的影響

在常溫常壓下，pH值保持的條件下，原污泥和改性凈水污泥各2.0g分別投入1、2、5、10、20、50mg/L的模擬磷廢水中，按照1.3.2的方法進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，隨著模擬磷廢水的初始濃度增大，污泥對(duì)水中磷的去除率也增大。濃度差越大，表面遷移的動(dòng)力越大，導(dǎo)致遷移速度也較快。不同初始磷酸鹽的吸附過程可以為快速和慢速吸附過程。污泥表面與溶液的磷酸鹽濃度梯度較大，發(fā)生快速吸附過程;濃度梯度較小時(shí)，遷移速度也逐漸減少。改性污泥的表面積大，更易于磷酸根的吸附，使得改性污泥對(duì)水中磷的去除速率比污泥對(duì)水中磷的去除速率增大。在初始溶度低于10mg/L（以P計(jì)）的磷酸鹽溶液時(shí)，兩者相差不大，可能是濃度梯度較小，遷移速度較小，而導(dǎo)致對(duì)水中磷的去除率不高;而初始濃度高于10mg/L（以P計(jì)）的磷酸鹽溶液時(shí)，原污泥對(duì)水中磷的去除率為35.2%～41.78%，明顯高于低濃度的磷酸鹽溶液，但這個(gè)階段的磷酸鹽溶液的去除率增大不大，可能是原污泥的吸附達(dá)到飽和;改性污泥隨水中磷的去除率為45.73%～56.45%，比原污泥對(duì)水中磷的去除率高了許多，可能是改性使污泥的空隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，對(duì)磷的吸附優(yōu)于原污泥。

3? ? 結(jié)論

（1）HCl改性效果不明顯，NaCl改性效果非常差，H2SO4改性凈水污泥對(duì)水中磷的去除效果能明顯提高，當(dāng)H2SO4溶液的濃度超過1mol/L時(shí)，改性凈水污泥對(duì)水中磷的去除率穩(wěn)定在22%以上。

（2）經(jīng)過進(jìn)一步掌握處理劑與凈水污泥的配比，通過試驗(yàn)得出1 mol/L的硫酸與凈水污泥粉末的質(zhì)量比為1：80時(shí)，改性凈水污泥對(duì)水中磷的去除效果最好，故本實(shí)驗(yàn)可以確定處理劑與凈水污泥的量為1：80。

（3）通過吸附試驗(yàn)，改性凈水污泥對(duì)含磷廢水的濃度在50 mg/l以內(nèi)，投加量為2.0g，pH=7.86，吸附時(shí)間240min的條件下，去除磷酸鹽的效果最好，也說明了這種吸附是通過物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用來完成的。

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