改性粉煤灰处理含磷生活污水试验

李 鹏,王 伟,侯长容

(1.重庆工商大学环境与生物工程学院,重庆 400067;2.重庆市永川区环境保护局,重庆 402168)

改性粉煤灰处理含磷生活污水试验

李 鹏1,王 伟2,侯长容2

(1.重庆工商大学环境与生物工程学院,重庆 400067;2.重庆市永川区环境保护局,重庆 402168)

为了防止水体富营养化和有效处理生活污水,以改性粉煤灰为吸附剂,对含磷生活污水进行吸附脱磷试验,并研究粉煤灰粒径、投加量、pH值、温度、振荡强度以及吸附时间等因素对脱磷效果的影响。结果表明:在粉煤灰粒径为160～200目、投加量为25g/L、溶液pH值为3.5、水温为50℃的条件下,对磷质量浓度为6.8mg/L的生活污水,以140r/min的强度振荡吸附150min,磷的去除率可高达95.3%,水样中的磷质量浓度降至0.5mg/L以下。

改性粉煤灰;吸附;含磷生活污水;去除率

随着生产力发展和人们生活水平提高,含磷产品被大量使用,生活污水中磷的含量日益增加。由于磷是导致水体富营养化的主要污染物[1],大量的磷进入水体必将会导致水体污染加剧。国内外研究表明,粉煤灰中存在大量Al、Si等活性点,能与吸附质通过化学键结合,同时粉煤灰的结构多孔,比表面积较大,具有相当大的吸附能力,因而在废水处理方面具有广阔的应用前景[2]。粉煤灰有时甚至可代替活性炭、硅胶等作为专用吸附剂[3],不但能够去除磷,同时还能提高粉煤灰的利用率。目前,国内外对于粉煤灰除磷的研究还处在试验阶段,没有运用到生产实践中。另外,原状粉煤灰的净化效果不是很好,而通过改性处理后的粉煤灰可以使吸附性能大大提高[4]。笔者主要通过对粉煤灰进行酸性活化改性,进而处理含磷生活污水,以期为粉煤灰在生活污水处理方面的应用带来更加广阔的前景,同时也为寻求一种更有效的生活污水处理方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

仪器:AR2140电子分析天平;722E型可见分光光度计;SHA-B恒温水浴振荡器;101-2AB电热鼓风干燥箱;SX2-5-12高温箱形电阻炉;510pH计;医用手提式蒸气消毒器。

试剂:氢氧化钠;盐酸;硫酸;钼铵酸;过硫酸钾;酒石酸锑钾;抗坏血酸;磷酸二氢钾,以上试剂均为分析纯。

1.2 材料

粉煤灰:取自重庆某热电厂。其基本组成为:Al2O3占25.10%,Fe2O3占3.71%,SiO2占59.82%,CaO占1.03%,MgO占1.22%,Na2O占0.43%,K2O占2.14%,烧失量占6.75%。

生活污水水样:取自重庆某污水处理厂。其水质状况为:ρ(TP)=6.8mg/L、ρ(NH3-N)=175mg/L、pH=6.52,ρ(CODCr)=90.56mg/L,ρ(BOD5)=85.72 mg/L,ρ(TSS)=45mg/L 。

1.3 方法

a.改性粉煤灰的制备。称取过80～200目筛的粉煤灰100g,加入NaOH固体10g,混合均匀后移至瓷坩埚内于600℃高温炉中,加热6h,然后取出加入200g水进行热冲击,待冷却后再加入20g浓盐酸,于室温下反应6h,保持混合液pH≤3,于室温下搅拌24h,过滤,用水充分浸泡、洗涤至滤液呈中性且不含Cl-(取滤液加入适量硝酸银溶液,清亮透明),在120～130℃烘干备用。

b.污水处理实验方法。取100mL含磷生活污水于锥形瓶中,加入一定量的改性粉煤灰,调节实验条件,在恒温水浴振荡器上振荡一定时间后,测定污水中磷的浓度,计算磷去除率,并研究不同条件下改性粉煤灰对污水中磷的去除效果。试验过程中主要考察粉煤灰粒径、粉煤灰投加量、时间、温度、pH值和振荡强度等因素对磷去除效果的影响。

c.标准曲线的绘制。取7支具塞刻度管,分别加入 0、0.50、1.00、3.00、5.00、10.00、15.00mL 质量浓度为2 mg/L的磷酸二氢钾标准溶液,加水至25 mL,再加入50g/L的过硫酸钾4mL,将具塞刻度管的盖塞紧后,用一小块纱布和线将玻璃塞扎紧,放入烧杯中于120℃下消解30min,取出,待冷却后用蒸馏水稀释至标线,加入100g/L抗坏血酸溶液1mL,30s后加入钼酸盐溶液,于波长700nm处以水做参比测定吸光度,以磷的含量为x轴,吸光度A为y轴绘制磷标准曲线,所得的磷标准曲线公式为:

d.计算方法。磷的去除率按以下公式计算

式中:η为粉煤灰对磷的去除率;ρ为吸附前磷的浓度;ρe为吸附后磷的浓度。

2 结果与讨论

2.1 改性前、后粉煤灰除磷效果的比较

取100mL含磷生活污水于锥形瓶中,分别加入相同质量改性前、后的粉煤灰,调节 pH=6,在30℃温度下于恒温水浴振荡器上振荡一定时间后,测定污水中磷的质量浓度,计算磷去除率。结果如表1所示。

表1 改性前、后粉煤灰除磷效果的比较

由表1可见,没经过改性的粉煤灰对污水中磷的去除率较低,仅有27.5%。而改性过后的粉煤灰对磷的去除率高达45.15%,和不改性的粉煤灰对比,大大地提高了磷的去除效果。

2.2 粉煤灰粒径对磷去除效果的影响

取100mL水样6份于250mL锥形瓶中,分别加入2.0g不同粒径的改性粉煤灰于各锥形瓶中,调节pH值为6.5,在20℃温度下于恒温振荡器振荡120 min,振速为140r/min,过滤,取其滤液测定总磷质量浓度,研究不同粒径的改性粉煤灰对磷去除的效果,结果如图1所示。

图1 粉煤灰粒径与磷去除率的关系

由图1可见,不同粒径的改性粉煤灰对磷的去除效果不同,粒径小于200目时,磷的去除率随着粒径目数的增大而增大;在160～200目时,对磷的吸附效果最好;粒径大于200目时,磷的去除率反而下降。这可能是由于粉煤灰表面自由能过高,粉煤灰之间相互吸附,特别是对较细颗粒的吸附。另外,粉煤灰过细,在过滤时无法达到固液分离的效果,因而在一定程度上也会影响吸光度的测定,从而影响磷质量浓度的测定。一般说来,吸附剂颗粒越细,越有利于吸附,去除率越高[5]。

2.3 粉煤灰投加量对磷去除效果的影响

取100mL水样6份于250mL锥形瓶中,依次称取不同质量的粉煤灰(160～200目)于各锥形瓶中,调节pH值为6.5,在20℃温度下于恒温振荡器振荡120min,振速为140r/min,过滤,取其滤液测定总磷质量浓度,研究不同粉煤灰投加量对磷去除效果的影响,结果如图2所示。

图2 粉煤灰投加量与磷去除率的关系

由图2可见,粉煤灰的投加量对磷的去除效果比较明显,粉煤灰的投加量从1.0g增加到2.5g,磷的去除率由34.1%增加到了46%以上;粉煤灰的投加量超过2.5g后,继续增加粉煤灰的用量,磷的去除率增加效果不是很明显。因此,选择2.5g为粉煤灰的最佳投加量。

2.4 振荡时间对磷去除效果的影响

取100mL水样6份于250mL锥形瓶中,分别加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),调节pH值为6.5,在20℃温度下于恒温振荡器分别振荡不同的时间,振速为140 r/min,过滤,取其滤液测定总磷质量浓度,研究不同振荡时间对磷去除效果的影响,结果如图3所示。

图3 振荡时间与磷去除率的关系

由图3可见,粉煤灰对磷的吸附受振荡时间的影响很大,振荡时间越长,磷去除率越高,振荡时间小于150min时,磷的去除率随振荡时间的增加而增大;振荡时间超过150min后,磷的去除率基本保持不变,说明此时粉煤灰对磷的吸附已接近饱和。

2.5 温度对磷去除效果的影响

取100mL水样6份于250mL锥形瓶中,分别加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),调节pH值为6.5,在不同温度下于恒温振荡器振荡150min,振速为140r/min,过滤,取其滤液测定总磷质量浓度,研究不同温度对磷去除效果的影响,结果如图4所示。

图4 温度与磷去除率的关系

由图4可见,温度升高有利于磷的吸附,温度小于60℃时,随着温度的升高,磷的去除率逐渐增大,在30～50℃时,磷的去除率增加很明显,由原来的57%上升到66%以上;温度超过50℃后,磷的去除率增加缓慢,并趋向于饱和。粉煤灰的吸附是一动力学过程,吸附过程中发生了吸热反应,升高温度,对吸附有利的粉煤灰表面的带电中心增加;在吸附过程中,溶质从溶液中扩散到粉煤灰的表面,温度升高,分子运动加剧,易于克服吸附活化能而被吸附[6]。

2.6 pH值对磷去除效果的影响

取100mL水样6份于250mL锥形瓶中,分别加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),调节不同的pH值,在50℃温度下于恒温振荡器振荡150min,振速为140r/min,过滤,取其滤液测定总磷质量浓度,研究不同pH值对磷去除效果的影响,结果见图5。

图5 pH值与磷去除率的关系

由图5可见,pH值对磷去除效果的影响很大,pH过小或过大都不利于粉煤灰对磷的吸附。当pH值在3～4之间时,磷的去除率达到91%以上,此pH范围的粉煤灰的吸附效果最佳;超出此范围时,磷的去除率会急剧下降。这可能是由于粉煤灰中含有大量的碱性氧化物等活性成分,在强酸性环境中,溶液中的H+会使这些碱性氧化物失活,从而降低粉煤灰对磷的吸附能力;在碱性条件下,溶液中过多的OH-会与磷酸根离子竞争粉煤灰上的活性中心。另外,高pH值条件下,粉煤灰表面聚集大量负电荷,由于静电斥力的影响使磷酸根离子不易于接近粉煤灰颗粒表面,因而也会影响到粉煤灰对磷的吸附能力[7]。

2.7 振荡强度对磷去除效果的影响

取100mL水样6份于250mL锥形瓶中,分别加入2.5g改性粉煤灰(160～200目),调节pH值为3.5,在不同振速下于恒温振荡器振荡150min,温度控制为50℃,过滤,取其滤液测定总磷质量浓度,研究不同振荡强度对磷去除效果的影响,结果见图6。

图6 振荡速度与磷去除率的关系

由图6可见,随振荡速度的增加,粉煤灰对磷的吸附效果越来越好,但当达到一定的振荡强度后,继续增加振荡速度,磷的吸附效果反而会呈现下降趋势。当振荡速度为140r/min时,对磷的去除率可达95.3%,水样中的磷质量浓度在0.5mg/L以下,可达到GB9878—1996《污水综合排放标准》一级标准。

3 结 语

a.和不改性的粉煤灰对比,改性后的粉煤灰对磷的吸附效果较好,磷的去除率增加显著。

b.利用酸性活化改性后的粉煤灰对污水中磷的吸附具有较好的吸附效果。经酸处理后的粉煤灰释放出大量的Al3+和Fe3+能有效降低或消除水中悬浮颗粒的电位,使悬浮颗粒脱稳,同时经酸处理的粉煤灰颗粒表面形成许多凹槽和孔洞,能加强吸附这些脱稳的胶体颗粒[8]。

c.改性粉煤灰对污水中磷的吸附受到粉煤灰粒径、投加量、pH值、温度、振荡强度以及吸附时间等因素的影响。在粉煤灰粒径为160～200目、投加量为25g/L、溶液pH值为3.5、水温50℃的条件下,对磷质量浓度为6.8mg/L的生活污水,以140 r/min的强度振荡吸附150 min,磷的去除率可高达95.3%,水样中的磷质量浓度降至0.5mg/L以下,符合GB9878—1996《污水综合排放标准》一级标准。

[1]彭近新,陈慧君.水质富营养化与防治[M].北京:中国环境科学出版社,1988.

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Study on removal of phosphorus from domestic wastewater by modified fly ash

LI Peng1,WANG Wei2,HOU Chang-rong2
(1.College of Environment and Biological Engineering,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China;2.Environmental Protection Agency of Yongchuan,Chongqing 402168,China)

To prevent eutrophication and to treat domestic wastewater effectively,the experiment of removing phosphorus from domestic wastewater was carried out using modified fly ash as an absorbent.The effects of fly ash size,fly ash dosing quantity,pH value,temperature,oscillating strength and adsorption time were studied.The results showed that when the fly ash size ranged from 160 mesh to 200mesh,the fly ash dosing quantity was 25g/L,pH value was 3.5,the temperature was 50℃,the concentration of phosphorus in the domesticwastewater was6.8mg/L,the oscillating strength was 140 r/min,and the adsorption time was 150 minutes,the removal efficiency of phosphorus could reach 95.3%and the concentration of phosphorus could reduce to 0.5 mg/L.

fly ash;modification;adsorption;domestic wastewater containing phosphorus;removal efficiency

X703

A

1004-6933(2011)03-0065-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.016

李鹏(1985—),男,湖北石首人,硕士研究生,研究方向为废弃资源的综合利用。E-mail:ockeyze@126.com

(收稿日期:2010-08-27 编辑:徐 娟)