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污水处理

日期:2017.11.15 点击:10

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  近年来,我国水体富营养化问题日渐加剧,严重阻碍了经济社会的可持续发展.而磷是引起水体富营养化的关键营养物质,减少城市污水中磷的排放对控制富营养化具有非常重要的意义.

  城市生活污水处理通常采用生物法,该法对氨氮和COD的去除效果好,但除磷效果差.与生物法相比,化学混凝法除磷具有处理效果好、稳定性强等优点,但在工程应用中存在药剂投加量大、成本高、产泥量大等缺点,因此研制低成本高效率的除磷混凝剂具有很高的应用价值.

  目前水处理混凝剂主要为铝盐(或铁盐)混凝剂,如广泛应用的聚合氯化铝(PAC),其一般采用铝屑、氢氧化铝、氯化铝、铝土矿等作为原料进行制备,成本较高.而一些工业废渣中含有大量可回收利用的铝铁元素,原料易得且价格低廉,近年来,利用工业废渣作为原材料制备混凝剂的研究得到了足够的重视.

  粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废渣,其氧化铝含量通常为20%~35%,最高可达50%,可代替铝土矿成为一种很好的氧化铝资源.如果利用粉煤灰为原料来生产铝盐混凝剂既可降低生产成本,又能使废物循环利用,避免对环境的“二次污染”.国内外一些学者对于将粉煤灰作为混凝剂处理污水方面开展了研究工作.例如针对预处理后的造纸厂废水,采用粉煤灰作为吸附剂进行深度处理,COD和色度的去除率分别达到65%和80%.研究发现,粉煤灰可以作为重金属离子的吸附剂,当重金属离子浓度低于100 mg·L-1时,去除率分别为:锌86%~98%、铅96%~99%、镉51%~95%、铜60%~99%,且去除率随pH值的增大而提高. ArvindK等(2014)研究了蔗渣粉煤灰对丙烯腈的去除能力,发现投加量为4 g·L-1、反应时间为5 h时对丙烯腈(AN)的去除效果为78%,此时去除效果最佳.刘等研究了粉煤灰对城市景观水体中磷的吸附性能,发现吸附反应符合Langmuir方程,粉煤灰吸附容量为23.15 mg·g-1,对水体中溶解态磷(DP)的去除效果为88.30%.

  但是粉煤灰处理污水过程中存在一些问题,首先,粉煤灰在形成过程中,部分气体逸出形成开放性孔穴,表面呈蜂窝状,具有吸附性能,而部分未溢出的气体被裹在颗粒内形成封闭性孔穴(Jin et al.,2012),降低了粉煤灰的比表面积,限制了其吸附容量,致使应用过程中投加量大,产泥量增加.其次,粉煤灰质量轻、密度小(表观密度为0.55~0.80 g·cm-3),其处理后的废水存在泥水分离困难的问题.此外,我国粉煤灰中铝元素含量高而铁元素含量低(一般为4%~10%),其制备的混凝剂属于铝盐混凝剂,具有絮体松散易碎、沉降速度慢的缺点.

  针对粉煤灰吸附容量小、投灰量大、泥水分离困难的问题,国内外研究者尝试采用物理或化学的方法对粉煤灰进行改性,打开其颗粒内的封闭性孔穴,提高孔隙率及比表面积,从而改善其吸附效能.刘等采用3种方法对粉煤灰改性,并用于处理印染废水,结果表明钙改性粉煤灰的色度和COD去除效果最佳,絮体沉降速度最快.采用PDMDAAC对粉煤灰进行改性,结果表明,改性粉煤灰对有机分子的吸附能力和离子交换能力都得到了增强,对染料分子的去除能力比改性前提高了12.5%.分析了粉煤灰合成的沸石对废水中氮和磷的去除性能,发现改性后其阳离子交换容量(206.3 cmol·kg-1)远高于原粉煤灰(2.2 cmol·kg-1),磷和氨氮的去除率分别可达到60%~92%和40%~60%.基于此,本研究拟采用盐酸对粉煤灰进行改性,不但能打开封闭性孔穴,还能通过酸的作用使颗粒表面生成大量新的微细小孔,增加比表面积和孔隙率.

  针对粉煤灰处理污水时絮体松散易碎、沉降速度慢的问题,本研究向粉煤灰中添加富含铝铁元素且价格低廉的铝土矿以补充铁元素,使得所制备的混凝剂能结合铁盐混凝剂的絮体密实、沉降速度快的优势,弥补铝盐混凝剂的缺点.同时根据协同增效原理,两种或两种以上的组分相加或调配在一起,所产生的作用大于各种组分单独应用时作用的总和.因此,所制备的铝铁复合混凝剂能充分发挥两种混凝剂各自的优势,提高混凝效果.

  混凝是一个动态变化的过程,在混凝过程中的主导作用机理可能会发生演替.目前国内外针对混凝机理的研究方法一般有X-射线衍射分析、红外光谱分析、Zeta电位测定等,大都是针对某一方面的混凝机理进行分析,单一的研究方法不能全面地阐述混凝的动态变化过程.因此,采用不同方法对混凝剂在不同混凝过程中的作用机理进行系统阐述是十分必要的.

  基于此,本研究以廉价易得的粉煤灰和铝土矿为主要原料,采用盐酸改性的方法制备出一种新型的无机铝铁复合混凝剂.重点研究了所制备的混凝剂对生活污水的除磷效能,并从形态学、分形维数特征、电荷特性等方面对其混凝机理进行了系统分析.本研究可为矿渣基水处理混凝剂的开发、生产及应用提供理论基础与技术参考.

  


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