改性濕熄焦焦粉聯合臭氧法處理污水的研究

摘 要：本文的主題是探索用活化后的濕熄焦焦粉聯合臭氧對生活污水進行處理，主要研究熄焦粉對生活污水的處理效果、熄焦粉活性炭的制備、熄焦粉活性炭對污水的處理效果以及用熄焦粉活性炭聯合臭氧處理生活污水的方法。

關鍵詞：濕熄焦焦粉 焦粉活性炭 臭氧 生活污水 制藥廢水

一、實驗的意義和目的

首先，熄焦粉由于其物理化學性質和粒徑等條件比較差而被廢棄，是焦化廠的固體廢棄物之一。但是熄焦粉由于在熄焦過程中，被熱的水蒸汽活化，在其表面產生了大量的孔隙結構，從而使得它具有很大的比表面積和良好的吸附性能。可以用熄焦粉代替活性炭處理污水，這樣既能保證有良好的處理效果，又可以大大減少污水的處理成本，實現社會效益與經濟利益的雙贏，達到以廢治廢的目的。

其次，我國既是水資源短缺國家，又是廢污水排放大國。面臨日益嚴重的水危機，面對水體污染給人們的生活和生產帶來的巨大危害，開發一套經濟、實用、高效的污水處理技術是減少水體污染、減少污水排放量、改善水環境、解決水資源短缺的有效途徑，可以實現經濟價值和社會價值的雙豐收。

筆者主要研究熄焦粉對生活污水的處理效果、熄焦粉活性炭的制備、熄焦粉活性炭對污水的處理效果以及用熄焦粉活性炭聯合臭氧來處理生活污水。

二、實驗部分

1.實驗主要試劑

硫酸汞、六水合硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀、濃硫酸、濃磷酸、硫酸銀、輕質氧化鎂、硫代硫酸鈉、溴化鉀、溴酸鉀、無水碳酸鈉、碘酸鉀、碘化鉀、濃鹽酸、氫氧化鉀、濃硝酸、EDTA、氧氣、硼酸、氯化鋅、氫氧化鈉、鄰二氮菲、甲基紅、亞甲基藍、溴百里酚藍。

2.實驗儀器

潛水泵AP4550、干燥箱101-1、篩子（一組）、電子天平FA2004N、臭氧發生器DHX-SS-1G、加熱磁力攪拌器79-1、馬弗爐SX-2-10-21。

3.實驗原料

實驗用的生活污水采自某污水處理廠進水口，經檢測原污水的部分污染指標見表1。

實驗用的濕熄焦焦粉取自鞍鋼第三煉焦車間，按照國家有關的規定對熄焦粉的水分、灰分、揮發分進行測定，結果見表2。

4.實驗方案

實驗部分有以下幾個階段。

第一階段，將生活污水送入處理裝置中，考察焦粉粒徑、投加量、處理時間對生活污水中氨氮去除率的影響，從而確定濕熄焦焦粉的選取。

第二階段，將選定的熄焦粉與氫氧化鉀粉末分別按不同的炭堿比進行混合，加入少量水攪拌均勻，放入坩堝中，蓋上坩堝蓋，然后將坩堝放入馬弗爐中進行活化，當馬弗爐溫度升至一定溫度時，在此溫度下活化30min。活化后取出坩堝冷卻至室溫，用熱水反復洗滌，再用去離子水進行洗滌，然后烘干，得到焦粉活性炭。再將污水通入已經活化的焦粉活性炭中進行初步處理。然后考察焦粉活性炭對污水中部分污染指標的去除情況。

第三階段，連接好臭氧氧化裝置，將臭氧通入用焦粉活性炭初步處理過的污水中，考察臭氧濃度、廢水初始pH值、氧化時間為對污水中部分污染指標去除率的影響。

5.實驗流程圖

（1）焦粉活性炭制備流程如圖1所示。

圖1 焦粉活性炭制備流程圖

（2）臭氧氧化污水實驗流程如圖2所示。

圖2 臭氧氧化實驗裝置示意圖

1-氧氣瓶 2-減壓閥 3-流量計 4-臭氧發生器 5-反應器

6-尾氣吸收瓶

三、結果與討論

1.用焦粉處理生活污水

（1）焦粉粒徑對生活污水中氨氮去除率的影響。在室溫下，取300ml原水（原水氨氮含量為59.96mg/L），分別用30g不同粒徑范圍的焦粉處理2小時，考察焦粉粒徑對污水氨氮去除率的影響。其實驗數據見表3。

由表3可以看出，在焦粉粒徑小于0.6mm時，隨著焦粉粒徑的增加，污水中氨氮的去除率隨之增加，從7.53%增加到了11.32%。當焦粉粒徑大于1.0mm時，污水中氨氮的去除率開始有所下降，從11.32%降到了6.47%，這是因為焦粉粒徑較大時，其顆粒的比表面積較小，孔容量小，這就使得它對吸附質的吸附量較小，再加上大粒徑的焦粉顆粒的孔隙通道較長，吸附質在有限的時間里很難進入較深的孔隙通道中，這樣就使得焦粉顆粒的孔隙不能得到有效的利用；當焦粉粒徑太小時，焦粉吸附劑的有效吸附位和吸附質點相對較少，而且焦粉顆粒的微孔孔隙很容易被污水中的懸浮物堵塞，使得焦粉顆粒的微孔結構遭到破壞，微孔數量的減少會大大降低焦粉的吸附能力，所以氨氮去除率會有所下降。實驗結果表明，焦粉粒徑在0.6～1.0mm時氨氮的去除率較高，為最佳實驗條件。

（2）焦粉投加量對生活污水中氨氮去除率的影響。在室溫下，取300ml原水，用粒徑為0.6～1.0mm的焦粉處理2小時，考察不同焦粉的投加量對污水中氨氮去除率的影響。其實驗數據見表4。

由表4可知，隨著焦粉使用量的增加，污水中氨氮的去除率不斷提高，而且增幅較大，由9.69%提高到18.07%。這是因為增加焦粉的使用量能提供更多的吸附質點和吸附位，提高吸附速率，從而使氨氮的去除率大幅增加。當焦粉使用量為120g/L時，氨氮的去除率較大為18.07%；當焦粉使用量大于120g/L時，氨氮的去除率變化速度開始減慢，去除率基本不再增加，故選取焦粉的最佳投加量是120g/L。

（3）處理時間對生活污水中氨氮去除率的影響。在室溫下，取300ml原水，用粒徑為0.6～1.0mm的焦粉36g處理，考察不同的處理時間對污水氨氮去除率的影響。實驗數據見表5。

用焦粉來處理污水，焦粉對污水中污染物的吸附過程主要是物理吸附，所以，只有當吸附劑顆粒與吸附質分子之間有足夠的傳質時間，才能實現有效的吸附分離。由表5可知，當處理時間在1.5h以內，隨著時間的延長，氨氮的去除率逐漸增加，而且增幅較大；在1.5～2.0h之間時，氨氮的去除率也在增加，但增幅開始變慢，到2.0h時氨氮的去除率最高為18.07%；當處理時間大于2.0h時，氨氮去除率的增幅趨緩，去除率基本不變。這是因為物理吸附是吸附質分子與吸附劑之間因分子間力相互作用而發生的一種表面現象，剛開始發生吸附時吸附劑表面的吸附位較多，吸附質分子容易找到吸附位被吸附，吸附速率較快。當吸附發生一段時間后，吸附位數量變少，吸附質分子就不易找到吸附位，吸附速率變慢。此時會進入慢吸附過程，就是已被吸附的吸附質分子從吸附劑表面進入內孔孔隙，再擴散到內孔表面，從而被內孔表面吸附。該過程時間較長，而且吸附量較小。經過慢吸附過程后，一部分被占據的吸附位又可以吸附剩余的吸附質分子。整個過程循環往復直至吸附劑達到吸附平衡結束。由表5可知，2.0h時吸附趨于平衡，氨氮的去除率基本不變，所以最佳處理時間為2.0h。

2.用焦粉活性炭處理生活污水

焦粉活化溫度對污水污染指標去除率的影響：將選定的焦粉與氫氧化鉀粉末分別按炭堿比為1：1、1：2、1：3、1：4、1：5進行混合，加入少量的水攪拌均勻，放入坩堝中，蓋上坩堝蓋，然后將坩堝放入馬弗爐中進行活化，當馬弗爐溫度升至600℃、700℃、800℃時，在此溫度下活化30min。活化后取出坩堝冷卻至室溫，用熱水反復洗滌，再用去離子水進行洗滌，然后烘干，得到焦粉活性炭。再將生活污水原水通入焦粉活性炭中進行初步處理。然后考察焦粉活性炭對污水中部分污染指標的去除情況。其實驗數據見表6。

從表6中可以看出，活化溫度和活化時間一定，隨著炭堿比的增加，污水中的各項污染指標的去除率呈上升趨勢，這說明炭堿比對污水中的各項污染指標的去除率有一定的影響。隨著活化溫度的增加，污水中的各項污染指標的去除率也隨之增加，這說明活化溫度對污水中的各項污染指標的去除率有一定的影響。

3.用臭氧處理生活污水

臭氧濃度對污水中部分污染指標去除的影響：向經過焦粉活性炭（活化溫度為700℃，炭堿比為1：4時制得）處理后的生活污水中通入臭氧，分別測定經過臭氧處理1h、2h、3h、4h、5h、6h后的生活污水中氨氮和COD的去除率。這時臭氧濃度為10mg/L，臭氧產量為3g/h；臭氧濃度17mg/L，臭氧產量5g/h；臭氧濃度23mg/L，臭氧產量7g/h，污水的初始pH為7.0，其實驗數據見表7。

從表7中的實驗數據可以看出，當臭氧濃度一定時，隨著氧化時間的延長，污水中的氨氮和COD的去除率呈上升趨勢，這說明臭氧氧化時間的長短對氨氮和COD的去除率有所影響。隨著臭氧濃度的增加，污水中的氨氮和COD的去除率也相應增加，這說明臭氧濃度對氨氮和COD的去除率有所的影響。但處理時間在4小時以內，氨氮去除率的增幅較大，4小時以后增幅開始變慢，去除率基本不再發生大的變化。當增大臭氧濃度時，氨氮的去除率有所提高，但是增幅不是很快。臭氧對氨氮的氧化處理效率不高，在最佳的實驗條件下，對氨氮的去除率剛剛超過25%。當臭氧濃度為一定時，隨著處理時間的延長，COD的去除率逐漸上升。但處理時間在一定范圍內，COD去除率的增幅較大，超過這個時間點以后增幅開始變得緩慢，而且去除率基本不再發生較大的變化。當增大臭氧濃度時，COD的去除率大大提高，而且增幅較快，在最佳的實驗條件下，COD的去除率超過40%。

四、結論

實驗結果表明濕熄焦焦粉的粒徑、投加量以及處理時間均對生活污水的處理效果有一定影響，因此選取適宜的焦粉有助于提高處理效果。在本實驗范圍內較為適合處理生活污水的焦粉粒徑為0.6～1.0mm，焦粉的投加量為120g/L，處理時間為2.0小時左右。

在活化溫度為700℃時，制得的活化焦粉對污水中的污染物的去除效果較好，生活污水中氨氮和COD的去除率分別為32.76%、33.64%。氨氮的值從59.96mg/L降到40.39mg/L，COD的值從280mg/L降到183mg/L。

臭氧濃度的大小對污水中色度、氨氮、COD的去除率有較大的影響。在一定時間內，臭氧濃度越高，污水中色度、氨氮、COD的去除率越大。

臭氧濃度一定時，隨著臭氧氧化時間的增加，污水中色度、COD、氨氮的去除率都相應地增大，但氧化處理一段時間后，由于臭氧在水體中溶解度有限，水體中的臭氧濃度達到飽和，參加反應的臭氧的數量不再增加，色度、COD、氨氮的去除率就逐漸趨于平穩。

在最佳實驗條件下，即在炭堿比為1：4、活化溫度為700℃時制得的焦粉活性炭，臭氧濃度為23mg/L，污水初始pH值為11.0，氧化時間為12小時，生活污水中的氨氮可以從59.96mg/L較少到17.13mg/L，達到國家二級排放標準，COD可以從280mg/L減少到47.7mg/L，達到國家一級排放標準。

參考文獻：

[1]史曉新，朱黨生等.現代水資源保護規劃[M].北京：化學工業出版社，2005.