粉煤灰改性造粒及對含磷污水處理的研究

唐代瑤 劉文輝 王東燕 丁凱澤 楊子杰

摘要：文章對粉煤灰進行了酸改性并造粒處理，同時將制備的顆粒粉煤灰用于對含磷廢水的處理。結果表明：初始粉煤灰有一定的除磷效果，當pH值在4～10，當反應時間40min，粉煤灰投加量為80g/L時，100mg/L含磷的污水經處理后含磷量為0.60mg/L。利用硫酸改性粉煤灰對廢水處理效果明顯。酸改造粒粉煤灰投加量分別為10g/L時，對100mg/L含磷的進行處理，出水中含磷量為0.24mg/L，分別達到《污水綜合排放標準》（GB9878-1996） 中一級磷的排放標準。

關鍵詞：粉煤灰;粉煤灰改性;粉煤灰造粒;含磷廢水

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.046

The research of phosphate-containing wastewater treatment by acid modified and grained fly ash

Tang Daiyao，Liu Wenhui，Wang Dongyan，Ding Kaize，Yang Zijie

（College of Materials and Chemical Engineering，Xian University of Technology，Xian Shaanxi 710032，China）

Abstract：The paper focuses on the study of phosphorus-contenting wastewater treatment effect by modified and grained fly ash. The experiment results show that Fly ash was good at removing phosphorus from wastewater at pH from 4 to 10. Adding 80g/L original fly ash into the solution of containing 100mg/L phosphate，after 40 minutes stirring and reaction，the effluent can meet Class 1 under the standard of “Integrated Wastewater Discharge Standard” （GB9878-1996）. Removal rate of phosphorus had improved significantly when wastewater was treated by sulfuric acid modified and grained fly ash. The? modified fly ash was good at removing phosphorus from wastewater at pH from 4 to 10. Adding 10g/L the modified and grained fly ash into the solution of containing 100mg/L phosphate，the effluent can meet Class 1 under the standard of “Integrated Wastewater Discharge Standard” （GB9878-1996）.

Key words：Fly ash;Acid modified fly ash;Grained fly ash;Phosphorus-contenting wastewater

自然水體中含有營養元素氮和磷，水體中磷主要來源于城市污水、農業排水、含磷工業廢水、底泥釋放等。環境中氮和磷的含量與水中富營養化相關，當水環境中的氮和磷濃度大于0.3 mg/L 和0.02 mg/L 時，該水體很容易處于富營養化，產生嚴重水體環境污染[1-2]。

燃煤電廠的副產品粉煤灰，是由多種不同結構和具有形態的粉末組成，主要是小玻璃球體，其主要成分是A12O3、SiO2、Fe2O、CaO3等，同時還含有少量的其他物質。粉煤灰固體粉末廢物，極易擴散到環境中產生大氣環境污染、地表水污染和地下水污染。但粉煤灰是大比表面積的多孔結構，具有吸附污染物性能較強等特點[3]，目前在環境保護領域的研究和應用都很廣泛[4-6]。用粉煤灰處理污水，尤其用來去除水體中的磷，不僅方便快捷而且效果較高，可以使粉煤灰價值得到充分利用，實現以廢治廢的目的，能取得非常好的環境和經濟效應。

但直接用粉煤灰去除水中的磷往往存在一些問題，如：投加量大、產生污泥處置困難等，但將粉煤灰用濕法、火法進行改性處理，同時，通過造粒提高粉煤灰的沉淀性能、便于回收再利用等技術，可以提高粉煤灰對磷的去除率，減少污泥處置量，實現多次改性重復利用[7]。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗的儀器及藥品

粉煤灰，來源于西安市東郊熱電廠，外觀為灰白色粉狀。

含磷廢水，實驗用廢水，是用磷酸二氫鉀（KH2PO4）自配濃度為100.0mg/L （以P計）的模擬廢水。

1.2 實驗方案

（1）未改性粉煤灰對廢水的除磷處理：在不同的pH、投加量、反應時間等條件下，投入粉煤灰到廢水中反應，取上清液測其磷的含量。

（2）粉煤灰酸改性和造粒：將粉煤灰分別置于硫酸（1mol/L）、鹽酸（2mol/L），體積比為1：1的硫酸（1mol/L）和鹽酸（2mol/L）混合酸中對粉煤灰酸改性。經過酸反應、沉淀，將粉煤灰和水泥按10：1的比例混合，并在造粒機中造粒、烘干，制得酸改性顆粒粉煤灰。

（3）改性顆粒粉煤灰對廢水中磷的去除研究。

2 實驗結果

2.1 原始粉煤灰對污水處理

2.1.1 投加量對磷去除率的影響

稱原始粉態粉煤灰，加入100mL污水，調pH為7.0，攪拌60min后靜置，取上清液，稀釋后測含磷濃度，計算磷去除率，結果見圖1。

圖1 原始粉煤灰投加量對除磷率的影響

實驗結果可見，原始粉煤灰投加量在0.5g～3.0g范圍內，投加量增加，磷去除率迅速增加，由44.80%上升到95.51%。投加粉煤灰的量為8.0g時，磷的去除率達99.5%，液體含磷量達到0.5mg/L以下，可以達到《污水綜合排放標準》（GB9878-1996）一級標準。

2.1.2 反應時間對除磷率的影響

分別稱取3.0g的原始粉煤灰加入100mL、pH為7.0的污水中，分別攪拌：10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min，靜置，取上清液過濾，測含磷濃度，計算磷去除率，結果見圖2。

實驗結果可見，反應開始的一段時間內，磷的去除率快速上升，反應40min時，磷的去除率達到95%，隨著反應時間的延長，磷的去除率不再變化。可見40min反應后，粉煤灰達到吸附飽和，磷的去除率趨于穩定。

2.1.3 pH值對除磷效果的影響

分別稱取3.0g的粉煤灰加入pH為2mL、4mL、6mL、8mL、10mL、12mL的100mL的含磷廢水中，攪拌40min，靜置，取上清液測量磷含量，計算除磷率。結果見圖3。

實驗結果可見：pH由2到4，磷的去除率迅速上升;pH由4到10，磷去除率變化不大;pH由10到12，磷去除率略有下降。因為在強酸性和強堿性條件下，粉煤灰的孔隙結構會受到一定影響，除磷率下降。因此，pH在4到10都可視為適合條件，考慮出水pH值應為中性，建議反應pH值取7或8。

2.2 粉煤灰改性造粒

2.2.1 改性酸的確定

實驗采用硫酸（1mol/L）、鹽酸（2mol/L）及二者的等體積混合酸，對粉煤灰進行改性并造粒，制得3種顆粒粉煤灰，在相同條件下對污水處理，結果見圖4。

結果可知：隨顆粒粉煤灰投加量增加，不同改性顆粒粉煤灰均有較好的除磷效果。當投加量均為3.0g時，硫酸、鹽酸、混合酸改性顆粒粉煤灰磷去除率分別達到98.24%、89.59%、96.66%。

2.2.2 改性酸濃度的確定

用濃度為1mol/ L、2 mol/ L、3 mol/ L、4mol/ L硫酸，灰酸比為1g：2mL，分別對粉煤灰改性處理并造粒，然后處理含磷100mg/L污水，結果見圖5。

實驗結果可見，采用3mol/L硫酸改性造粒粉煤灰磷去除率最好，投加量為0.7g時，磷去除率為99.32%;投加1.0g時，磷去除率為99.76%。

2.2.3 酸改造粒粉煤灰投加量對磷去除率影響

稱取經3mol/L硫酸改性造粒粉煤灰，分別加入100mL的污水中，調節pH為7.0，攪拌反應40min，靜置、取上清液，稀釋一定倍數后，測殘留磷含量。實驗顯示：硫酸改性造粒粉煤灰投加量在0.3～1.0g時，隨著投加量的增加，磷去除率較快增加，去除率由89.46%增加到99.76%。而改性造粒前的粉煤灰，在投加量為10g/L時，磷去除率才達到99.7%，含磷量才達到一級排放標準。由此可見，改性造粒后的粉煤灰在磷去除上效果提升非常明顯。

3 結論

（1）原粉煤灰對污水中的磷有一定去除效果，當pH值介于4～10，投加量為80g/L，出水中含磷量為0.44mg/L;（2）不同類型酸對粉煤灰改性，在相同條件下對污水進行處理，磷去除率由大到小排列：硫酸改性灰>混合酸改性灰>鹽酸改性灰;（3）利用酸改性造粒的粉煤灰，對含磷100mg/L污水進行處理，效果提升顯著：當pH值在4～10之間，改性顆粒粉煤灰投加量為10g/L，出水中含磷量為0.24mg/L，能達到《污水綜合排放標準》（GB9878-1996）一級標準。

參考文獻

[1]方海峰，黃穎.從廢水中回收磷的主要方法和常見工藝[J].環境科學與技術，2007，38（10）：104-107，121.

[2]陳雪初，孔海南，張大磊，等.粉煤灰改性制備深度除磷劑[J].工業用水與廢水，2006，37（6）：65-67.

[3]吳美玲.粉煤灰改性及其應用研究[J].廣州化工，2017，45（8）：22-23.

[4]律海波，崔俊華.改性粉煤灰處理生活污水的試驗研究[J].粉煤灰綜合利用，2007，15（2）：44-45.

[5]王占華，周兵，孫雪景，等.粉煤灰改性及其在廢水處理中的應用現狀[J].能源環境保護，2014，28（4）：04-05.

[6]劉麗娜，劉志明，吳德意，等.粉煤灰吸附去除城市景觀水體中磷的初步研究[J].環境科學與技術，2007，16（2）：40-42，117.

[7]張信，岳欽艷，張金智.改性粉煤灰去除水中磷及吸附機理研究[J].粉煤灰綜合利用，2007，15（4）：44-47.

收稿日期：2020-09-20

基金資助：國家大學生創新創業項目（201610702033）。

作者簡介：唐代瑤（1998-），女，漢族，本科，研究方向為水污染處理。

通訊作者：劉文輝（1977-），男，講師，研究方向為污水生物處理及資源化。