給水廠污泥陶粒制備及其對氮磷吸附研究*

鄭 凱 蔣善慶 武福平#

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

氮磷是天然水體中的關鍵污染物。因為氮磷而產生的水體富營養化現象給自然生態環境造成了嚴重危害[1]。因此，必須有效控制水環境中氮磷含量。去除水中氮磷有多種方法。生物法處理氮磷雖然二次污染小但是應用條件要求高[2]。化學法往往會產生二次污染而且處理成本較高[3]。相比較而言，吸附法具有二次污染小，操作簡單等優點[4-5]。一些固體材料如工業廢物、天然黏土等[6-7]已被用于氮磷的去除。

原水中的懸浮物和殘留的水處理藥劑在長期累積下形成了給水廠污泥。給水廠污泥所含的主要化合物為SiO2、CaCO3、Al2O3、Fe2O3等。給水廠污泥處理不當會給環境造成一定危害[8]，通常送到垃圾填埋場處理[9]。給水廠污泥可作為吸附劑，對磷具有良好的吸附效果[10]。然而，目前以給水廠污泥作為潛在吸附材料同步吸附氮磷方面的研究還鮮有報道。

因此，本研究利用給水廠的兩種污泥在3種燒結溫度下制備出陶粒，對比陶粒同步吸附氮磷的效果，篩選最適陶粒，考察該陶粒同步吸附氮磷的影響因素，為低成本同步吸附氮磷提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

1.1.1 陶粒的制備與篩選

實驗所用給水廠污泥來自于江蘇省常州市武進區西部禮河水廠。其設計規模2×105m3/d，校核能力3×105m3/d，水源為長江水。本研究中污泥分別選取了平流沉淀池濕污泥(SHST)和干泥餅(MC)。先將污泥、黏土和黏結劑Na2SiO3干燥至恒重，按比例混合，再倒入蒸餾水攪拌。待混合均勻后，控制混合材料的含水率。將混合材料取出制成圓形生料球。每顆生料球的質量在0.2 g左右，粒徑為2～4 mm。在前期試燒實驗的基礎上選擇預熱溫度300 ℃，預熱時間 2 h，燒結溫度500～700 ℃，燒結時間2 h，污泥與黏土質量比為3.5∶1.0等工藝參數來燒制污泥陶粒，以SHST和MC為原料制作的陶粒分別稱為SHST陶粒和MC陶粒。

分別取100 mg/L氨氮與25 mg/L磷酸鹽各100 mL，再分別單獨投加20 mg/L SHST陶粒和MC陶粒，在25 ℃下靜置吸附50.0 h，然后取少量上清液過濾，計算陶粒對氨氮和磷酸鹽的吸附量，篩選最適陶粒。

1.1.2 實驗廢水

為避免實際廢水水質波動對實驗結果的影響，本研究采用模擬廢水。用KH2PO4配制50 mg/L磷酸鹽儲備液；用NH4Cl配制1 000 mg/L氨氮儲備液。

1.2 實驗方法

1.2.1 pH和陶粒投加量對同步吸附的影響

取100 mg/L氨氮與25 mg/L磷酸鹽的混合溶液100 mL。研究pH的影響時，陶粒投加量為20 mg/L，分別調節混合溶液pH至2～10。研究陶粒投加量的影響時，混合溶液pH為7，陶粒投加量分別為10、20、40、60、80 mg/L。在25 ℃下靜置吸附50.0 h，然后取少量上清液過濾，計算吸附量。

1.2.2 吸附動力學實驗

取100 mg/L氨氮與25 mg/L磷酸鹽的混合溶液100 mL，調節pH為7，陶粒投加量為20 mg/L，然后置于25 ℃下靜置吸附。分別在0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、24.0、48.0、72.0 h取少量上清液過濾，計算吸附量。

1.2.3 等溫吸附實驗

取20、40、80、100、200、400 mg/L氨氮分別與5、10、20、25、50、100 mg/L磷酸鹽配制混合溶液100 mL，調節pH為7，陶粒投加量為20 mg/L。25 ℃下靜置吸附72.0 h，然后取少量上清液過濾，計算吸附量。

1.2.4 分析方法

總磷采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。陶粒的表面形貌采用場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，Supra 55)觀察。

2 結果與討論

2.1 燒結溫度對氮磷吸附效果的影響

通過圖1可以看出，在600 ℃制備條件下，無論是SHST陶粒還是MC陶粒，對氨氮和磷酸鹽的吸附量均最大。600 ℃時兩種陶粒對氨氮吸附量在0.6～0.8 mg/g，而SHST陶粒對磷酸鹽的吸附量為0.85 mg/g左右，比MC陶粒高出大約1倍。因此，進一步實驗都將采用燒結溫度為600 ℃的SHST陶粒。隨著燒結溫度升高，有機物分解加劇，可使陶粒表面孔隙變多，孔徑增大，增強吸附效果；然而，燒結溫度過高也可能會導致與吸附相關的金屬氧化物升華，弱化陶粒的吸附性能。

2.2 pH對同步吸附氮磷的影響

圖1 不同燒結溫度下兩種陶粒對氮磷吸附效果比較Fig.1 Comparison of nitrogen and phosphorus adsorption effects of the two types of ceramsite at different sintering temperatures

圖2 不同pH對同步吸附氮磷的影響Fig.2 Effects of different pH on simultaneous adsorption of nitrogen and phosphorus

圖3 不同陶粒投加量對同步吸附氮磷的影響Fig.3 Effects of different dosages of ceramsite on simultaneous adsorption of nitrogen and phosphorus

2.3 陶粒投加量對同步吸附氮磷的影響

從圖3看出，陶粒對氨氮的吸附量隨著投加量增大呈現下降趨勢。隨著陶粒投加量增大，陶粒的整體吸附能力變強；但是，陶粒吸附位點的利用率下降，導致其吸附量下降。同理，陶粒對磷酸鹽的吸附量呈整體下降趨勢。

2.4 吸附動力學結果

由圖4可以看出，在50 h左右時，陶粒對氨氮和磷酸鹽分別達到了平衡吸附量(0.650、0.706 mg/g)，高于常規填料廢棄磚塊[12]和粉煤灰[13]的最大吸附量。

圖4 氮磷吸附量隨時間的變化Fig.4 Adsorption capacity of nitrogen and phosphorus varied with time

采用準一級動力學和準二級動力學模型對實驗數據進行擬合，擬合結果如表1和表2所示。陶粒同步吸附氮磷時，對氨氮、磷酸鹽的吸附過程均更符合準二級動力學模型，說明陶粒吸附氨氮、磷酸鹽的過程均存在化學吸附作用。

表1 陶粒吸附氨氮的動力學擬合參數1)

注：1)qe為平衡吸附量，mg/g;K1為準一級反應速率常數，d-1；K2為準二級反應速率常數，g/(mg·d)。表2同。

表2 陶粒吸附磷酸鹽的動力學擬合參數

2.5 等溫吸附實驗結果

采用Langmuir和Freundlich模型對實驗數據進行擬合，擬合結果如表3和表4所示。陶粒同步吸附氮磷時，對氨氮、磷酸鹽的吸附等溫線均更符合Langmuir模型，說明陶粒對氨氮和磷酸鹽的吸附過程主要發生在陶粒表面。

表3 陶粒對氨氮的吸附等溫線擬合參數1)

注：1)qm為單層最大吸附量，mg/g；KL為Langmuir系數，L/mg;KF為Freundlich系數,mg1-1/n·L1/n/g;n為Freundlich常數。表4同。

表4 陶粒對磷酸鹽的吸附等溫線擬合參數

2.6 FESEM分析

對比吸附前后陶粒FESEM圖發現，吸附前的陶粒孔隙明顯，并且表面具有明亮的片狀物質；而吸附后的陶粒表面更密實，孔隙趨于飽和(見圖5)。

圖5 吸附前后陶粒的FESEM圖Fig.5 FESEM images of ceramsite before and after adsorption

3 結 論

(1) 以給水廠污泥為主要原料制備陶粒，600 ℃燒結溫度下制備的SHST陶粒吸附氮磷的綜合效果最好。

(2) 陶粒同步吸附氮磷時，對氨氮和磷酸鹽的吸附量隨著pH增大而上升，隨著陶粒投加量增大而下降。

(3) 陶粒同步吸附氮磷時，在50 h左右能達到吸附平衡，陶粒對氨氮和磷酸鹽的平衡吸附量分別達到0.650、0.706 mg/g。