給水廠污泥陶粒制備及其對氮磷吸附

發表時間：2021-11-15 12:36:49 閱讀次

　　氮磷是天然水體中的關鍵污染物。因為氮磷而產生的水體富營養化現象給自然生態環境造成了嚴重危害。因此，必須有效控制水環境中氮磷含量。去除水中氮磷有多種方法。生物法處理氮磷雖然二次污染小但是應用條件要求高。化學法往往會產生二次污染而且處理成本較高。相比較而言，吸附法具有二次污染小，操作簡單等優點。一些固體材料如工業廢物、天然黏土等已被用于氮磷的去除。

　　原水中的懸浮物和殘留的水處理藥劑在長期累積下形成了給水廠污泥。給水廠污泥所含的主要化合物為SiO2、CaCO3、Al2O3、Fe2O3等。給水廠污泥處理不當會給環境造成一定危害，通常送到垃圾填埋場處。給水廠污泥可作為吸附劑，對磷具有良好的吸附效果。然而，目前以給水廠污泥作為潛在吸附材料同步吸附氮磷方面的研究還鮮有報道。

　　因此，本研究利用給水廠的兩種污泥在3種燒結溫度下制備出陶粒，對比陶粒同步吸附氮磷的效果，篩選最適陶粒，考察該陶粒同步吸附氮磷的影響因素，為低成本同步吸附氮磷提供技術支撐。

　　一、材料和方法

　　1.1 實驗材料

　　1.1.1 陶粒的制備與篩選

　　實驗所用給水廠污泥來自于江蘇省常州市武進區西部禮河水廠。其設計規模2×105m3/d，校核能力3×105m3/d，水源為長江水。本研究中污泥分別選取了平流沉淀池濕污泥(SHST)和干泥餅(MC)。先將污泥、黏土和黏結劑Na2SiO3干燥至恒重，按比例混合，再倒入蒸餾水攪拌。待混合均勻后，控制混合材料的含水率。將混合材料取出制成圓形生料球。每顆生料球的質量在0.2g左右，粒徑為2~4mm。在前期試燒實驗的基礎上選擇預熱溫度300℃，預熱時間2h，燒結溫度500~700℃，燒結時間2h，污泥與黏土質量比為3.5∶1.0等工藝參數來燒制污泥陶粒，以SHST和MC為原料制作的陶粒分別稱為SHST陶粒和MC陶粒。

　　分別取100mg/L氨氮與25mg/L磷酸鹽各100mL，再分別單獨投加20mg/LSHST陶粒和MC陶粒，在25℃下靜置吸附50.0h，然后取少量上清液過濾，計算陶粒對氨氮和磷酸鹽的吸附量，篩選最適陶粒。

　　1.1.2 實驗廢水

　　為避免實際廢水水質波動對實驗結果的影響，本研究采用模擬廢水。用KH2PO4配制50mg/L磷酸鹽儲備液;用NH4Cl配制1000mg/L氨氮儲備液。

　　1.2 實驗方法

　　1.2.1 pH和陶粒投加量對同步吸附的影響

　　取100mg/L氨氮與25mg/L磷酸鹽的混合溶液100mL。研究pH的影響時，陶粒投加量為20mg/L，分別調節混合溶液pH至2~10。研究陶粒投加量的影響時，混合溶液pH為7，陶粒投加量分別為10、20、40、60、80mg/L。在25℃下靜置吸附50.0h，然后取少量上清液過濾，計算吸附量。

　　1.2.2 吸附動力學實驗

　　取100mg/L氨氮與25mg/L磷酸鹽的混合溶液100mL，調節pH為7，陶粒投加量為20mg/L，然后置于25℃下靜置吸附。分別在0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、24.0、48.0、72.0h取少量上清液過濾，計算吸附量。

　　1.2.3 等溫吸附實驗

　　取20、40、80、100、200、400mg/L氨氮分別與5、10、20、25、50、100mg/L磷酸鹽配制混合溶液100mL，調節pH為7，陶粒投加量為20mg/L。25℃下靜置吸附72.0h，然后取少量上清液過濾，計算吸附量。

　　1.2.4 分析方法

　　總磷采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。陶粒的表面形貌采用場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，Supra55)觀察。

　　二、結果與討論

　　2.1 燒結溫度對氮磷吸附效果的影響

　　通過圖1可以看出，在600℃制備條件下，無論是SHST陶粒還是MC陶粒，對氨氮和磷酸鹽的吸附量均最大。600℃時兩種陶粒對氨氮吸附量在0.6~0.8mg/g，而SHST陶粒對磷酸鹽的吸附量為0.85mg/g左右，比MC陶粒高出大約1倍。因此，進一步實驗都將采用燒結溫度為600℃的SHST陶粒。隨著燒結溫度升高，有機物分解加劇，可使陶粒表面孔隙變多，孔徑增大，增強吸附效果;然而，燒結溫度過高也可能會導致與吸附相關的金屬氧化物升華，弱化陶粒的吸附性能。

　　2.2 pH對同步吸附氮磷的影響

　　不同pH下陶粒同步吸附氮磷的結果如圖2所示。pH為2時，陶粒在同步吸附氮磷時氨氮吸附量不足0.4mg/g，之后隨著pH增大，氨氮吸附量呈上升趨勢。在pH為3~7時對氨氮吸附量基本一致。

　　pH由7到8時氨氮吸附量明顯上升，之后趨于平穩。當pH升高時，溶液中H+濃度降低，與NH+4競爭吸附的陽離子減少，陶粒對氨氮的吸附效果增強。隨著pH增大，陶粒在同步吸附氮磷時對磷酸鹽的吸附量也呈現上升趨勢，與陳洋的研究結果一致。pH影響磷酸鹽的存在形態。當pH為2~4時，磷酸鹽主要以H2PO-4存在，pH為7~9時，磷酸鹽主要以HPO2-4存在，當pH由4到7時，H2PO-4逐漸減少，HPO2-4逐漸增多。磷酸鹽的形態變化伴隨著吸附量的兩次明顯上升，當溶液中HPO2-4占比更高時，陶粒對磷酸鹽具有更好的吸附效果。

　　2.3 陶粒投加量對同步吸附氮磷的影響

　　從圖3看出，陶粒對氨氮的吸附量隨著投加量增大呈現下降趨勢。隨著陶粒投加量增大，陶粒的整體吸附能力變強，但是，陶粒吸附位點的利用率下降，導致其吸附量下降。同理，陶粒對磷酸鹽的吸附量呈整體下降趨勢。