改性净水污泥处理含磷废水的效能研究

祝成成

[摘要]采用经过浓硫酸改性后的净水污泥，与外加添加剂混合，焙烧制备成陶粒用于含磷废水的吸附特性的研究，通过静态实验考察了投加量、吸附时间、pH值、废水含磷浓度等因素对除磷效果的影响。研究结果表明，硫酸改性净水污泥制备的陶粒比未改性前对除磷效果好，可以作为污水的磷吸附材料。

[关键词]净水厂污泥;改性;吸附;含磷废水

[中图分类号]X832 [文献标识码]A

本文采用吸附法除磷，将净水厂废弃的污泥通过外加添加剂制备成陶粒，用于含磷废水的去除，做到了变废为宝，为净水厂污泥的处理开辟了一条新途径。

1    材料与方法

1.1    污泥

试验用污泥取自某自来水厂，其主要化学成分见表1，其中净水污泥的化学成分由实验仪器测得。

1.2    主要试剂与仪器

试剂：KH2PO4 （南京化学试剂有限公司） ;Na2SiO3 （吴江市今日化工有限公司） ;NaOH（江苏南新助剂厂）;浓H2SO4（南京化学试剂有限公司） ;抗坏血酸（上海试四赫维化工有限公司）;钼酸铵（合肥工业大学化学试剂厂）;聚乙烯纤维（国药集团化学试剂有限公司）等。试验用水为超纯水。

仪器：101A型电热恒温干燥箱（上海泸司实验仪器有限公司） ;HY-1往返式振荡仪（江苏省盐城市科学仪器厂） ;TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器公司） ;RX（JN）-8-13箱式节能电阻炉（配三相人工智能温度程序精密控制仪） （宜兴市环宇炉业有限公司） ;FA2004型电子天平（上海良平仪器仪表有限公司）;pHs-3c精密pH计（上海精密化学仪器有限公司）等。

1.3    試验方法

1.3.1    净水污泥改性试验。用100目的筛子过筛净水污泥后，准确称量40g，再分别用H2SO4、NaCl、NaOH、HCl浓度分别为0mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L、2.5mol/L及3.0mol/L四种改性剂混均制成净水污泥陶粒，用制粒机控制粒径在3～5mm，于105℃下干燥2h，用RX（JN）-8-13箱式节能电阻炉调到1160℃烧结成陶粒，保温时间5min，然后待自然冷却到1000℃后，打开箱式智能电阻炉的炉门，使其自然冷却至室温，然后分别投入到配置好的模拟含磷废水中，经振荡器振荡静置后，参照国家环境保护局发布的标准方法测定总磷，然后计算出磷的去除率。

1.3.2    吸附试验。取浓度为50mg/L的模拟含磷废水50ml于100ml闭塞管中，加入一定量的改性污泥，设置150r/min转速常温常压下振荡，每隔30min取一次样，静置并取上清液过0.45μm混合纤维微孔滤膜，取适量上清液参照国家环境保护局发布的标准方法测定总磷的浓度。

磷的去除率（%），其中为溶液中磷的初始浓度，mg/L;为污泥吸附后水样含磷的浓度，mg/L。

2    结果与讨论

2.1    净水污泥的改性工艺

按照1.3.1的试验方法，用不同浓度的改性剂对净水污泥处理后对磷的去除率，结果如图1所示。用确定的改性剂与不同质量比的净水污泥对水中磷的去除率的影响，结果如图2所示。

由图1可见，相同改性方法下，H2SO4改性的净水污泥对磷的去除效果最好。随着改性剂浓度的升高， NaOH改性的净水污泥去除效果越来越差，NaCl改性的净水污泥去除变化不大，HCl改性的净水污泥去除率先增后减，而H2SO4改性净水污泥去除效果明显增加。

由图2可见，1 mol/L的浓硫酸与净水污泥粉末的质量比为1：80时，改性净水污泥对磷的去除效果最好，故本实验采用改性剂与净水污泥的量为1：80。

2.2    吸附剂用量对除磷效果的影响

一般来说，改性污泥用量越多，总的吸附能力越大，净化效果也就越好，但考虑到经济上的制约，需要通过试验找出最佳投加量。各0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0g的改性污泥和原污泥投入浓度为10 mg/L的模拟含磷水样100mL闭塞管中，按照1.3.2的方法进行试验所得结果如图3所示。

由图3可见，随着投加量的增加，P的去除率迅速增加，投加量与磷的去除率正相关。当污泥的投加量增加至2.0g以上时，去除率提高不明显，因此可以认为此时随着吸附剂投加量的增加，吸附剂表面发挥吸附作用的官能团也随之增加，而改性污泥吸附能力比原污泥的吸附能力较强，可能是表面发挥吸附作用的官能团比原污泥较多，所以改性污泥吸附的速度比原污泥快。继续增加原污泥和改性污泥的投加量，水中磷的去除率基本保持不变，这是由于溶液中磷离子与原污泥和改性污泥表面的磷离子达到了动态平衡。

2.3    吸附时间对除磷效果的影响

取原净水污泥和除磷效果最好的改性污泥2.0g，加入50ml浓度为10mg/L的模拟磷废水中，常温下在150r/min振荡，每隔30min取一次样后按1.3.2的试验方法进行试验，结果如图4所示。

由图4可知，随着反应时间的延长，磷的去除率增大。其中在90～240min的吸附时间范围内，磷的去除率增长最快，达到240min后，磷酸盐的吸附基本达到最大值，其后去除磷的效果没有明显变化，甚至出现略有下降的现象，可能是吸附不牢固，磷被解吸出来。

原污泥的吸附平衡时间与改性污泥吸附平衡时间相差不大，可能是因为硫酸的改性，使酸性增强，不利于较快的吸附。

2.4    废水pH对除磷效果的影响

取50ml浓度为10 mg/L的模拟磷废水，调节其pH分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14。保持投加量和反应时间一定的条件下，按照1.3.2的方法进行试验，所得结果如图5。

从图5可以看出，反应初期溶液的磷酸盐快速吸附到吸附剂的表面，在中性或偏酸性条件下，水中的磷以PO43-的形式存在，净水污泥中含有大量的Si、Al等金属活性点，可以通过化学键结合或静电吸附作用吸附PO43-，对磷的吸附性能稳定，对水中磷的去除率也较高;在碱性条件下，污泥对水中磷的去除速率最慢，可能是其表面基团呈酸性，因OH-吸附而带负电，从而使HPO42-不易吸附，导致了污泥对水中磷的吸附下降。在试验结束时，改性净水污泥比原污泥对磷的吸附效果好。

2.5    废水含磷浓度对除磷效果的影响

在常温常压下，pH值保持的条件下，原污泥和改性净水污泥各2.0g分别投入1、2、5、10、20、50mg/L的模拟磷废水中，按照1.3.2的方法进行试验，所得结果如图6所示。

从图6可知，随着模拟磷废水的初始浓度增大，污泥对水中磷的去除率也增大。浓度差越大，表面迁移的动力越大，导致迁移速度也较快。不同初始磷酸盐的吸附过程可以为快速和慢速吸附过程。污泥表面与溶液的磷酸盐浓度梯度较大，发生快速吸附过程;浓度梯度较小时，迁移速度也逐渐减少。改性污泥的表面积大，更易于磷酸根的吸附，使得改性污泥对水中磷的去除速率比污泥对水中磷的去除速率增大。在初始溶度低于10mg/L（以P计）的磷酸盐溶液时，两者相差不大，可能是浓度梯度较小，迁移速度较小，而导致对水中磷的去除率不高;而初始浓度高于10mg/L（以P计）的磷酸盐溶液时，原污泥对水中磷的去除率为35.2%～41.78%，明显高于低浓度的磷酸盐溶液，但这个阶段的磷酸盐溶液的去除率增大不大，可能是原污泥的吸附达到饱和;改性污泥随水中磷的去除率为45.73%～56.45%，比原污泥对水中磷的去除率高了许多，可能是改性使污泥的空隙结构发生了变化，对磷的吸附优于原污泥。

3    结论

（1）HCl改性效果不明显，NaCl改性效果非常差，H2SO4改性净水污泥对水中磷的去除效果能明显提高，当H2SO4溶液的浓度超过1mol/L时，改性净水污泥对水中磷的去除率稳定在22%以上。

（2）经过进一步掌握处理剂与净水污泥的配比，通过试验得出1 mol/L的硫酸与净水污泥粉末的质量比为1：80时，改性净水污泥对水中磷的去除效果最好，故本实验可以确定处理剂与净水污泥的量为1：80。

（3）通过吸附试验，改性净水污泥对含磷废水的浓度在50 mg/l以内，投加量为2.0g，pH=7.86，吸附时间240min的条件下，去除磷酸盐的效果最好，也说明了这种吸附是通过物理吸附和化学吸附的协同作用来完成的。

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