锅炉渣对农村生活污水磷的吸附研究

邱兰

（江西省南昌市环境监测站，江西 南昌 330002）

1 引言

随着我国农村的快速发展，农村生活污水已经成为农村水环境恶化的主要原因。农村生活污水一般含有较高的氮和磷，其过量排放加剧了农村水体的富营养化［1，2］，其中磷被视为水体富营养化形成的主要限制性因素。以太湖地区为例，农村生活污水已直接导致太湖富营养化，污染贡献率中氮占35.35%，磷占59.65%［3］。因此，控制农村生活污水氮、磷是抑制农村水体面源污染的有效方法。

目前农村生活污水除磷方法很多，如化学沉淀、生物强化和人工湿地系统等［4］。其中，煤渣具有多孔结构、比表面积大和水力传导性强等特点［5］，对磷有良好的吸附效果，目前广泛用作人工湿地基质［6，7］。我国是以煤炭为主的能源生产与消费大国，在农村地区，民用锅炉及其他燃煤设备每年都排出大量煤渣。可见采用煤渣来吸附农村生活污水中的磷，进而抑制水体富营养化，是一种经济有效的方法。根据X射线衍射分析［7，8］，煤渣的主要化学成分为SiO240%～50%、Al2O330%～35%、Fe2O34%～20%、CaO 1%～5% 及少量镁、硫、碳等。研究表明［7，9］，煤渣对磷的去除机制主要是靠煤渣中Ca、Fe、Al对磷的吸附沉淀。因此，本文采用锅炉废渣对农村生活污水进行吸附研究，通过静态实验对煤渣的磷吸附动力学、等温线进行了模型拟合，以确定具体的吸附工艺参数。

2 材料与方法

2.1 锅炉渣

锅炉渣取自育苗场锅炉煤渣，过1.0cm和1.5cm孔径筛子，平均当量直径1.3cm。

2.2 农村生活污水

实验水取自农村化粪池出水，水质指标见表1。

表1 生活污水水质指标

2.3 实验方法

2.3.1 动力学实验

取100g锅炉渣，放入编号为1～6号的500mL塑料瓶中，加入200mL生活污水，在30℃摇床中震荡，每隔0min、10min、20min、30min、40min、60 min取样，过滤，分析水体TP浓度。

2.3.2 吸附等温线实验

在1～6号瓶中，加入200mL生活污水，分别加入0、10、20、40、60、80、100g锅炉渣。在30℃摇床中震荡至吸附平衡，取样、过滤、分析水体TP浓度。

2.4 分析方法

每个水样测3个平行取平均值，总磷测试采用采用国家废水监测标准方法:钼酸铵比色法。数据分析采用Excel软件进行统计与绘图。

3 结果与讨论

3.1 锅炉渣对磷的吸附动力学

吸附过程中不同时刻测得废水总磷浓度变化如图1所示。

由图1可见，前30min总磷浓度从6.58mg／L迅速下降到1.36mg／L；50min后浓度低于0.5mg／L；60min后基本达到吸附平衡；去除效率达到93%。

在吸附动力学研究中，通常运用一级动力学方程和二级动力学方程拟合，来分析废水中总磷浓度随时间的变化关系。一级、二级动力学方程式如下［10］:

图1 不同时间锅炉渣对磷吸附效果

式中，k1为一级吸附速率常数（min－1），k2为二级吸附速率常数（mg·L－1·min－1），c0为初始吸附浓度（mg／L）。数据拟合的相关参数见表2。

表2 一级、二级吸附动力学方程拟合参数

由表2可见，锅炉渣吸附生活污水总磷动力学更接近一级动力学方程，吸附速率方程为rA＝－0.0496CA；初始吸附速率k1·C0达到0.3264mg·L－1·min－1。

3.2 锅炉渣对氮的吸附等温式

吸附量与出水浓度之间的关系如图2所示。

图2 吸附平衡时吸附量与出水浓度关系

对于单组分吸附，通常采用Freundich和Langmuir吸附等温式来描述。本实验数据统计发现，采用Freundich等温式进行拟合相关性较高（R2＝0.9942）；而Langmuir吸附等温式拟合结果显示相关性不显著（R2＝0.003）。Freundich等温式如下［10］:

其中k、n为常数。因此，将式子（3）转换为Inq＝1／nInc＋Ink，便可根据其线性关系作图可求出各个参数值。

图3 Freundich等温式参数拟合

由图3，可计算出n＝1.012，k＝0.0023mg／L。可见，温度为30℃时，锅炉渣对生活污水磷吸附符合Freundich等温式:q＝0.0023c0.9879。

4 结语

实验结果表明，锅炉渣对农村生活污水中磷有很好的处理效果。30℃时，处理时间60min，磷去除效率达到93%，出水水质符合城镇污水排放标准一级标准指标。吸附动力学符合一级动力学方程，r＝－0.0496 c。吸附等温式符合Freundich吸附等温式，30℃时，q＝0.0023c0.9879。可见，利用锅炉渣处理农村生活污水，是一种经济而有效的方法。

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