聚硅酸硫酸铝絮凝剂去除生活污水中磷的研究

胡文云，杨春林

(武汉轻工大学 化学与环境工程学院, 湖北 武汉 430023)



聚硅酸硫酸铝絮凝剂去除生活污水中磷的研究

胡文云，杨春林

(武汉轻工大学 化学与环境工程学院, 湖北 武汉 430023)

摘要：以硅酸钠(NaSiO3·9H2O)，硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)和硫酸为原料合成了聚硅酸硫酸铝(PASS)絮凝剂，对PASS通过红外光谱和X射线衍射分析进行表征。考察了PASS对生活污水中磷去除的性能，具体的影响因素有：絮凝剂投加量，絮凝过程水力条件，污水的pH值和温度等。单因素实验结果表明，各因素的最佳取值分别为：投加量为10.0 g/L，污水的pH值为5，污水的加热电压为40 V,絮凝过程的混合转速为150 r/min，混合时间为2 min，絮凝过程的反应转速为100 r/min，反应时间为20 min，絮凝过程的沉降时间为50 min。在单因素影响研究的基础上，设计了四因素三水平的正交实验，结果表明PASS絮凝剂对生活污水中磷去除的性能的最佳组合条件为：投加量为15.0 g/L，pH值为5，混合时间为1min，反应转速为100 r/min；各因素的影响顺序为：pH值 >投加量 >混合时间 >反应转速。

关键词：聚硅酸硫酸铝；絮凝剂；含磷生活污水；除磷

1引言

磷被认为是导致水体富营养化现象发生的主要控制因子,其主要来源于人类生产和生活，对含磷生活污水进行必要的处理，降低水体中磷的浓度，防止水体富营养化的发生或加剧，无疑是十分必要的。现有的除磷方法中,化学絮凝法是应用较普遍且处理效果最稳定的方法。聚硅铝类絮凝剂，是一类新型的无机高分子复合絮凝剂，其絮凝性能优于单独的聚合铝和聚硅酸，已成为国内外竞相研究的一个热点[1-12]。本研究用聚硅铝类絮凝剂去除生活污水中的磷，具有重要的现实意义。

2材料与方法

2.1实验试剂与主要设备

硅酸钠( 天津大茂化学试剂厂)，硫酸铝(天津东丽区天大化学试剂厂)，硫酸(信阳淮河化学试剂有限责任公司)，氢氧化钠(天津福禄化工试剂厂)，磷酸二氢钾(国药集团化学试剂有限公司)，过硫酸钾(天津科密欧化学试剂开发中心)，抗坏血酸(湖南湘大化工试剂有限公司)，酒石酸锑钾(天津凯通化学试剂有限公司)，钼酸铵(天津市化学试剂研究所)，所用试剂均为分析纯。

TA6系列程控混凝实验搅拌仪(武汉恒岭科技有限公司)；7200型分光光度计(尤尼柯仪器公司)；DRB200数字式消解器(美国哈希公司)；BDX3200型X射线衍射仪(北大青鸟仪器设备公司)；330FT-IR型红外光谱仪(美国热电尼高烈仪器公司)。

2.2PASS的制备

称取14.20 g的NaSiO3·9H2O于500 mL烧杯中，然后加入105.8 mL去离子水，搅拌使固体完全溶解，此时换算得SiO2质量分数为2.5%，用20%的硫酸调节pH值至5.0—5.5，室温下搅拌聚合10—12 min，加入16.65 g的Al2(SO4)3·18H2O(使nAl∶nSi= 1∶1)，搅拌使其溶解，然后放置陈化1—2 h，可得无色透明聚硅酸硫酸铝溶液，最后置于冰箱中待用。

2.3实验用水

实验用生活污水取自武汉科技大学黄家湖校区内生活污水处理厂。

3结果与讨论

3.1PASS的表征

3.1.1红外光谱实验

将干燥后的PASS固体，用KBr压片后，进行红外光谱实验。结果如图1所示.

图1　聚合硅硫酸铝红外光谱图

3.1.2X射线衍射实验

将干燥后的PASS固体研磨到60目以下，对样品进行X衍射分析测试。结果如图2所示。

图2　聚合硅硫酸铝X射线衍射图

由图2可知，在2θ为18°，28°和32°左右，图中出现了尖锐的衍射峰，与文献[13]中聚合硫酸铝的X射线衍射图相似，说明制备的聚硅酸硫酸铝与聚合硫酸铝结构相似，为含多羟基的无机高分子聚合物。图中的衍射峰数量较聚合硫酸铝的明显减少，这可能是由于硅的存在，加剧了硅酸钠、铝酸钠以及硫酸铝之间的反应，产物向无定形方向发展，形成了更为复杂的聚合物结构。

3.2单因素对除磷效果的影响

3.2.1絮凝剂投加量对磷去除效果的影响

在室温，混合转速150 r/min，混合时间2 min，反应转速80 r/min，反应时间20 min，沉降时间30 min的条件下，考察了絮凝剂投加量对磷去除效果的影响，结果如图3所示。

图3　絮凝剂的投加量对除磷效果的影响

图3表明，随着絮凝剂投加量的增加，对生活污水中磷的去除率增大，当絮凝剂投加量为10.0 g/L时，磷的去除率达90.6%，显示最好的去除效果。随着絮凝剂用量的继续增加，除磷率反而逐渐减小。这是因为生活污水中的磷大部分是溶解态的无机磷，主要来源于洗涤剂的正磷酸盐和稠环磷酸盐，只有小部分是以溶解和非溶解状态存在的有机磷。

3.2.2pH值对除磷效果的影响

在室温，混合转速为150 r/min，混合时间为2min，反应转速为80 r/min，反应时间为20 min，，投加量为10.0 g/L，沉降时间为30 min的条件下，考察了pH值对除磷效果的影响，结果如图4所示。

图4　污水的pH值对除磷效果的影响

由图4可知, pH值对除磷效果影响显著，在pH <5时，随pH值的升高磷的去除率增大。当pH值为5时，达到最佳的去除效果，随pH值的继续升高，磷的去除率反而下降。

3.2.3电压对磷去除效果的影响

在混合转速150 r/min，混合时间2 min，反应转速60 r/min，反应时间20 min，投加量10.0 g/L，pH值为5，沉降时间30 min的条件下，考察了加热电压对除磷效果的影响，结果如图5所示。

图5　加热电压对除磷效果的影响

图5表明，随着加热电压的升高，水温升高，PASS对磷的去除率也随之升高，在电压值为40 V左右时，磷的去除率达到最大值为80.2%，达到最佳絮凝效果。之后再继续升高温度，磷的去除率反而下降。

3.2.4混合转速对磷去除效果的影响

在室温，混合时间2 min，反应转速80 r/min，反应时间20 min，投加量10.0 g/L，pH值为5，沉降时间30 min的条件下，考察了混合转速对除磷效果的影响，如图6所示。

图6　混合转速对除磷效果的影响

从图6可见，随着混合转速的增大，污水中磷的去除率呈显著上升趋势。当转速为150 r/min时，磷的去除率最高，达88.3%，此时表现出最佳絮凝效果。随着混合转速持续增大，磷的去除率却出现不断下降的趋势。

3.2.5混合时间对磷去除效果的影响

在室温，混合转速150 r/min，反应转速80 r/min，反应时间20 min，，投加量10.0 g/L，pH值为5，沉降时间30 min的条件下，考察了混合时间对除磷效果的影响，结果如图7所示。

图7　混合时间对除磷效果的影响

从图7可见，随着混合时间的增大，磷的去除率不断增大，当混合时间为120 s时，磷的去除率达到最大为89.0%，达到最佳的絮凝效果。随后混合时间继续增加，磷的去除率却不断下降。

3.2.6反应转速对磷去除效果的影响

在室温，混合转速150 r/min，混合时间2 min，反应时间20 min，投加量10.0 g/L，pH值为5，沉降时间30 min的条件下，考察了反应转速对除磷效果的影响，结果如图8所示。

图8　反应转速对除磷效果的影响

从图8可见，反应转速的增大，磷的去除率缓慢增加，当反应转速为100 r/min时，磷的去除率达最大，为91.6%，达到最佳絮凝效果。随着反应转速进一步增大，磷的去除率却迅速下降。这是由于反应转速过大，形成的矾花被打碎，不易沉淀，从而降低了絮凝效果。

3.2.7反应时间对磷去除效果的影响

在室温，混合转速150 r/min，混合时间2 min，投加量10.0g /L，pH值为5，反应转速100 r/min，沉

降时间30 min的条件下，考察了反应时间对除磷效果的影响，结果如图9所示。

图9　反应时间对除磷效果的影响

从图9可见，随着反应时间的延长，磷的去除率显著增大，当反应时间为20 min时，磷的去除率达最大，为87.2%，此时絮凝效果最好。随着反应时间继续延长，污水中磷的去除率呈缓慢下降趋势。

3.2.8沉淀时间对磷去除效果的影响

在室温，混合转速150 r/min，混合时间2 min，反应转速100 r/min，反应时间20 min，投加量10.0 g/L，pH值为5的条件下，考察了沉降时间对除磷效果的影响，结果如图10所示。

图10　沉淀时间对除磷效果的影响

从图10可见，随着沉淀时间的延长，污水中磷的去除率不断增大，当沉淀时间为50 min时，污水中磷的去除率最大，为92.1%，此时絮凝效果最好。随着沉淀时间继续延长，污水中磷的去除率稍稍下降。这是由于在一定的时间范围内，沉淀时间越长，絮体沉淀越多，絮凝效果增强。当达到最佳沉降时间后，继续延长沉淀时间，磷的去除率反而稍稍下降，这可能是因为沉淀时间太长，会使絮凝剂上已吸附物解吸，絮凝效果变差。

3.3正交实验

通过L9(34)正交实验，实验数据处理结果如表1所示。

表1L9(34)正交实验直观分析计算表

实验号投加量/(g/mL)pH值混合时间/s反应转速/(r/min)TP去除率/%1511801006.9210160808.0315112012032.84551208082.4510518012092.661556010093.27596012062.6810912010083.391591808090.8Ti1151.9047.70163.80181.20Ti2183.90268.20198.50183.40Ti3216.80236.70193.00188.00Ki150.6315.9054.6060.40Ki261.3089.4066.1761.13Ki372.2778.9064.3362.67R21.6473.5011.572.27

从表1可见，正交最佳水平组合为：投加量为15.0 g/L，pH值为5，混合时间为1 min，反应转速为100 r/min。

根据极差的大小，得知絮凝剂对除磷效果的影响主次顺序为：pH值 >投加量 >混合时间 >反应转速。

4结论

通过实验研究，得到如下结论：

(1) 以硅酸钠(NaSiO3·9H2O)，硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)和硫酸为原料合成了PASS。

(2)红外图谱表明将硫酸铝引入到聚硅酸中生成较多的Al-O-Al、Al-O-Si 的桥接结构，而生成较少的Al 的单核或多核配合物。

(3)X射线衍射图谱表明, 聚硅酸硫酸铝与聚合硫酸铝具有相似结构，是一种多羟基无机高分子聚合物，其具有稳定的晶形结构，是一种复杂的晶体混合物。

(4)单因素影响实验考察了絮凝剂投加量，污水的pH值，加热电压，絮凝过程水力条件等因素。各因素的最佳取值分别为：絮凝剂投加量为10.0 g/L，污水pH值为5，电压值为40 V，混合转速为150 r/min，混合时间为2 min，反应转速为100 r/min，反应时间为20 min，沉降时间为50 min。

(5)通过L9(34)正交实验，确定了该絮凝剂对生活污水中磷去除效果的最佳水平组合为： 最佳投加量为15.0 g/L，最佳pH值为5，最佳混合时间为1 min，最佳反应转速为100 r/min。各因素对除磷的影响大小为：pH值 >投加量 >混合时间 >反应转速。

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Study on polynucleate aluminum hydroxyl silicate-sulphate flocculent removing phosphorus in sanitary sewage

HUWen-yun,YANGChun-lin

(School of Chemical and Environmental Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：A new process of preparing polynucleate aluminum hydroxyl silicate-sulphate compound (PASS) was synthesized by sodium silicate, aluminum sulfate and sulfuric acid in this paper, and it was characterized by IR and XRD. The elimination phosphorus property of PASS for the sewage was investigated, and the concrete influencing factors were the agent amount, pH, temperature and the condition of hydraulic power etc. The results of single factor experiments showed the best condition for each factor: the dose of PASS was 10.0 g/L, the pH was 5, the admixture turn was 150 r/min, the mixing time was 2 minutes, the reacting rotational speed was 100 r/min, the mixing time was 20 minutes, the setting time was 50 minutes. On the basis of single factor research, the L9(34)orthogonal experiment was carried on. The results showed the best condition was that the optimum dose of PASS was 15.0 g/L,the optimum pH was 5, the best mixing time was 1minutes,and the optimum reacting rotational speed was 100r/min.The influencing order was respectively the pH, agent amount, mixing time and reacting rotational speed.

Key words：polynucleate aluminum hydroxyl silicate-sulphate compound; flocculent; phosphoric sanitary sewage; remove phosphorus

收稿日期：2016-04-10.

作者简介：胡文云(1970-)，女，副教授，E-mail: 295003728@qq.com.

文章编号：2095-7386(2016)02-0045-05

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.02.008

中图分类号：X 703

文献标识码：A