鍋爐渣對農(nóng)村生活污水磷的吸附研究

邱蘭

（江西省南昌市環(huán)境監(jiān)測站，江西 南昌 330002）

1 引言

隨著我國農(nóng)村的快速發(fā)展，農(nóng)村生活污水已經(jīng)成為農(nóng)村水環(huán)境惡化的主要原因。農(nóng)村生活污水一般含有較高的氮和磷，其過量排放加劇了農(nóng)村水體的富營養(yǎng)化［1，2］，其中磷被視為水體富營養(yǎng)化形成的主要限制性因素。以太湖地區(qū)為例，農(nóng)村生活污水已直接導(dǎo)致太湖富營養(yǎng)化，污染貢獻(xiàn)率中氮占35.35%，磷占59.65%［3］。因此，控制農(nóng)村生活污水氮、磷是抑制農(nóng)村水體面源污染的有效方法。

目前農(nóng)村生活污水除磷方法很多，如化學(xué)沉淀、生物強化和人工濕地系統(tǒng)等［4］。其中，煤渣具有多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大和水力傳導(dǎo)性強等特點［5］，對磷有良好的吸附效果，目前廣泛用作人工濕地基質(zhì)［6，7］。我國是以煤炭為主的能源生產(chǎn)與消費大國，在農(nóng)村地區(qū)，民用鍋爐及其他燃煤設(shè)備每年都排出大量煤渣。可見采用煤渣來吸附農(nóng)村生活污水中的磷，進(jìn)而抑制水體富營養(yǎng)化，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。根據(jù)X射線衍射分析［7，8］，煤渣的主要化學(xué)成分為SiO240%～50%、Al2O330%～35%、Fe2O34%～20%、CaO 1%～5% 及少量鎂、硫、碳等。研究表明［7，9］，煤渣對磷的去除機制主要是靠煤渣中Ca、Fe、Al對磷的吸附沉淀。因此，本文采用鍋爐廢渣對農(nóng)村生活污水進(jìn)行吸附研究，通過靜態(tài)實驗對煤渣的磷吸附動力學(xué)、等溫線進(jìn)行了模型擬合，以確定具體的吸附工藝參數(shù)。

2 材料與方法

2.1 鍋爐渣

鍋爐渣取自育苗場鍋爐煤渣，過1.0cm和1.5cm孔徑篩子，平均當(dāng)量直徑1.3cm。

2.2 農(nóng)村生活污水

實驗水取自農(nóng)村化糞池出水，水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 生活污水水質(zhì)指標(biāo)

2.3 實驗方法

2.3.1 動力學(xué)實驗

取100g鍋爐渣，放入編號為1～6號的500mL塑料瓶中，加入200mL生活污水，在30℃搖床中震蕩，每隔0min、10min、20min、30min、40min、60 min取樣，過濾，分析水體TP濃度。

2.3.2 吸附等溫線實驗

在1～6號瓶中，加入200mL生活污水，分別加入0、10、20、40、60、80、100g鍋爐渣。在30℃搖床中震蕩至吸附平衡，取樣、過濾、分析水體TP濃度。

2.4 分析方法

每個水樣測3個平行取平均值，總磷測試采用采用國家廢水監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法:鉬酸銨比色法。數(shù)據(jù)分析采用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計與繪圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 鍋爐渣對磷的吸附動力學(xué)

吸附過程中不同時刻測得廢水總磷濃度變化如圖1所示。

由圖1可見，前30min總磷濃度從6.58mg／L迅速下降到1.36mg／L；50min后濃度低于0.5mg／L；60min后基本達(dá)到吸附平衡；去除效率達(dá)到93%。

在吸附動力學(xué)研究中，通常運用一級動力學(xué)方程和二級動力學(xué)方程擬合，來分析廢水中總磷濃度隨時間的變化關(guān)系。一級、二級動力學(xué)方程式如下［10］:

圖1 不同時間鍋爐渣對磷吸附效果

式中，k1為一級吸附速率常數(shù)（min－1），k2為二級吸附速率常數(shù)（mg·L－1·min－1），c0為初始吸附濃度（mg／L）。數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 一級、二級吸附動力學(xué)方程擬合參數(shù)

由表2可見，鍋爐渣吸附生活污水總磷動力學(xué)更接近一級動力學(xué)方程，吸附速率方程為rA＝－0.0496CA；初始吸附速率k1·C0達(dá)到0.3264mg·L－1·min－1。

3.2 鍋爐渣對氮的吸附等溫式

吸附量與出水濃度之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 吸附平衡時吸附量與出水濃度關(guān)系

對于單組分吸附，通常采用Freundich和Langmuir吸附等溫式來描述。本實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用Freundich等溫式進(jìn)行擬合相關(guān)性較高（R2＝0.9942）；而Langmuir吸附等溫式擬合結(jié)果顯示相關(guān)性不顯著（R2＝0.003）。Freundich等溫式如下［10］:

其中k、n為常數(shù)。因此，將式子（3）轉(zhuǎn)換為Inq＝1／nInc＋I(xiàn)nk，便可根據(jù)其線性關(guān)系作圖可求出各個參數(shù)值。

圖3 Freundich等溫式參數(shù)擬合

由圖3，可計算出n＝1.012，k＝0.0023mg／L。可見，溫度為30℃時，鍋爐渣對生活污水磷吸附符合Freundich等溫式:q＝0.0023c0.9879。

4 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，鍋爐渣對農(nóng)村生活污水中磷有很好的處理效果。30℃時，處理時間60min，磷去除效率達(dá)到93%，出水水質(zhì)符合城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。吸附動力學(xué)符合一級動力學(xué)方程，r＝－0.0496 c。吸附等溫式符合Freundich吸附等溫式，30℃時，q＝0.0023c0.9879。可見，利用鍋爐渣處理農(nóng)村生活污水，是一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。

［1］王煥升，王凱軍，崔志峰，等.中國農(nóng)村地區(qū)生活污染調(diào)查及控制模式探討［J］.中國給水排水，2008，24（20）:20～22，30.

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