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，通過靜態實驗考察了投加量、吸附時間、pH值、廢水含磷濃度等因素對除磷效果的影響。研究結果表明，硫酸改性凈水污泥制備的陶粒比未改性前對除磷效果好，可以作為污水的磷吸附材料。

[關鍵詞]凈水廠污泥;改性;吸附;含磷廢水

[中圖分類號]X832 [文獻標識碼]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

試驗用污泥取自某自來水廠，其主要化學成分見表1，其中凈水污泥的化學成分由實驗儀器測得。

1.2? ? 主要試劑與儀器

試劑：KH2PO4 （南京化學試劑有限公司） ;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（合肥工業大學化學試劑廠）;聚乙烯纖維（國藥集團化學試劑有限公司）等。試驗用水為超純水。

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

1.3? ? 試驗方法

1.3.1? ? 凈水污泥改性試驗。用100目的篩子過篩凈水污泥后，準確稱量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，用制粒機控制粒徑在3～5mm，于105℃下干燥2h，用RX（JN）-8-13箱式節能電阻爐調到1160℃燒結成陶粒，保溫時間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，經振蕩器振蕩靜置后，參照國家環境保護局發布的標準方法測定總磷，然后計算出磷的去除率。

1.3.2? ? 吸附試驗。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，設置150r/min轉速常溫常壓下振蕩，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家環境保護局發布的標準方法測定總磷的濃度。

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? ? 結果與討論

2.1? ? 凈水污泥的改性工藝

按照1.3.1的試驗方法，用不同濃度的改性劑對凈水污泥處理后對磷的去除率，結果如圖1所示。用確定的改性劑與不同質量比的凈水污泥對水中磷的去除率的影響，結果如圖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量比為1：80時，改性凈水污泥對磷的去除效果最好，故本實驗采用改性劑與凈水污泥的量為1：80。

2.2? ? 吸附劑用量對除磷效果的影響

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，但考慮到經濟上的制約，需要通過試驗找出最佳投加量。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的方法進行試驗所得結果如圖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。當污泥的投加量增加至2.0g以上時，去除率提高不明顯，因此可以認為此時隨著吸附劑投加量的增加，吸附劑表面發揮吸附作用的官能團也隨之增加，而改性污泥吸附能力比原污泥的吸附能力較強，可能是表面發揮吸附作用的官能團比原污泥較多，所以改性污泥吸附的速度比原污泥快。繼續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到了動態平衡。

2.3? ? 吸附時間對除磷效果的影響

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的試驗方法進行試驗，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著反應時間的延長，磷的去除率增大。其中在90～240min的吸附時間范圍內，磷的去除率增長最快，達到240min后，磷酸鹽的吸附基本達到最大值，其后去除磷的效果沒有明顯變化，甚至出現略有下降的現象，可能是吸附不牢固，磷被解吸出來。

原污泥的吸附平衡時間與改性污泥吸附平衡時間相差不大，可能是因為硫酸的改性，使酸性增強，不利于較快的吸附。

2.4? ? 廢水pH對除磷效果的影響

取50ml濃度為10 mg/L的模擬磷廢水，調節其pH分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14。保持投加量和反應時間一定的條件下，按照1.3.2的方法進行試驗，所得結果如圖5。

從圖5可以看出，反應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，可以通過化學鍵結合或靜電吸附作用吸附PO43-，對磷的吸附性能穩定，對水中磷的去除率也較高;在堿性條件下，污泥對水中磷的去除速率最慢，可能是其表面基團呈酸性，因OH-吸附而帶負電，從而使HPO42-不易吸附，導致了污泥對水中磷的吸附下降。在試驗結束時，改性凈水污泥比原污泥對磷的吸附效果好。

2.5? ? 廢水含磷濃度對除磷效果的影響

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的方法進行試驗，所得結果如圖6所示。

從圖6可知，隨著模擬磷廢水的初始濃度增大，污泥對水中磷的去除率也增大。濃度差越大，表面遷移的動力越大，導致遷移速度也較快。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，發生快速吸附過程;濃度梯度較小時，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，使得改性污泥對水中磷的去除速率比污泥對水中磷的去除速率增大。在初始溶度低于10mg/L（以P計）的磷酸鹽溶液時，兩者相差不大，可能是濃度梯度較小，遷移速度較小，而導致對水中磷的去除率不高;而初始濃度高于10mg/L（以P計）的磷酸鹽溶液時，原污泥對水中磷的去除率為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%，比原污泥對水中磷的去除率高了許多，可能是改性使污泥的空隙結構發生了變化，對磷的吸附優于原污泥。

3? ? 結論

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

（2）經過進一步掌握處理劑與凈水污泥的配比，通過試驗得出1 mol/L的硫酸與凈水污泥粉末的質量比為1：80時，改性凈水污泥對水中磷的去除效果最好，故本實驗可以確定處理劑與凈水污泥的量為1：80。

（3）通過吸附試驗，改性凈水污泥對含磷廢水的濃度在50 mg/l以內，投加量為2.0g，pH=7.86，吸附時間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吸附的協同作用來完成的。

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