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      凈水廠聚合氯化鋁鐵污泥對污水中磷的吸附作用

      時間:2020/07/24 點擊:

      摘要:采用控制變量法,逐一研究初始pH值、污泥投加量、初始磷濃度等條件下的聚合氯化鋁鐵污泥的磷吸附過程。結果表明,在pH值為4.5-9.0時,污泥對磷的吸附過程穩定,磷的去除率和單位質量污泥對磷的吸附量隨pH值的下降而升高。磷的去除率隨污泥投加量的增加而增加,隨污水的初始磷濃度增加而減小。單位質量污泥磷吸附量隨污泥投加量的增加而減小,隨污水的初始磷濃度增加而增加。準二級動力學方程可以很好地描述污泥磷吸附過程。通過Langmuir和Freundlich吸附等溫線方程發現,聚合氯化鋁鐵污泥具有較強的磷吸附能力,磷吸附量為6.049mg/g。

      脫水鋁污泥是自來水廠在凈水過程中將鋁鹽作為絮凝劑吸附水中污染物的副產物,含有豐富的鋁、鐵等化合物,以及腐殖質、有機質和硅酸鹽等物質。有研究表明,脫水鋁污泥對水體中的磷具有一定的吸附能力,其吸附量的大小受污泥投加量、溶液pH值、溫度、污泥粒徑和溶液初始磷濃度等因素的影響,吸附磷的機理主要是配體離子交換反應。

      雖然許多學者對凈水廠脫水鋁污泥吸附污水中的磷做了一些研究,但其中采用單一的鐵污泥或鋁污泥的較多,對于聚合氯化鋁鐵(PAFC)污泥的研究較少。因此,有必要研究各因素對聚合氯化鋁鐵(PAFC)污泥吸附污水中磷的過程的影響,其結果如下。

      一、初始pH值對磷吸附量的影響

      溶液初始pH值對磷吸附量的影響如圖1所示。

      圖1pH值對聚合氯化鋁鐵污泥的磷吸附量的影響

      由圖1可以看出,pH值為9.0、5.0和4.5時,磷的吸附過程穩定,在180min時反應基本達到平衡,此時磷的去除率分別為38%、55%和53%,污泥的磷吸附量分別為4.75、6.88和6.62mg/g。

      隨著pH值的升高,溶液中OH-濃度增加,一方面使得污泥表面的電性變負,阻礙了磷酸根離子擴散到污泥表面,另一方面,OH-會對磷酸根離子產生競爭作用,這些都不利于污泥對磷的吸附。因此,較低的pH值條件有利于聚合氯化鋁鐵污泥的磷吸附過程。

      二、污泥投加量對磷吸附量的影響

      污泥投加量對磷吸附量的影響如圖2所示。

      圖2聚合氯化鋁鐵污泥投加量對磷吸附量的影響

      由圖2可以看出,在180min時反應基本保持穩定,此時污泥投加量分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0g,磷的去除率分別為45.2%、78.0%、92.3%、95.8%和97.7%,污泥的磷吸附量分別為5.65、4.88、3.85、2.99和2.44mg/g。增加了污泥的投加量,就增加了吸附劑的量和吸附位點,所以磷的去除率更高,同時也使得溶液中磷的濃度降低得更快,減小了污水和污泥表面的濃度差,致使后階段的吸附過程難以進行,單位質量污泥的磷吸附量降低。

      三、污水中初始磷濃度對磷吸附量的影響

      污水的初始磷濃度對磷吸附量的影響如圖3所示。

      圖3污水初始磷濃度對聚合氯化鋁鐵污泥的磷吸附量的影響

      由圖3可以看出,初始磷的質量濃度分別為5、10、20mg/L時,反應在180min時基本保持穩定,磷的去除率分別為98.9%、94.6%和58.6%,污泥的磷吸附量分別為1.55、2.96和3.66mg/g。初始磷的濃度越高,可提供給污泥吸附的磷的量就越大,溶液和污泥表面的磷濃度差就越大,吸附作用更容易發生,因此初始磷濃度更高時,磷的吸附量更高,但是一定污泥表面的吸附位點數量是一定的,因此高初始磷濃度下的磷的去除率更低。

      另外,由圖1-圖3可以發現,在各反應的前15min內,吸附反應進行得較快,之后較為緩慢,由此可將吸附過程劃分為快速吸附階段和慢速吸附階段。Babatunde等在利用給水污泥吸附除磷時發現,隨著反應的進行,其吸附速率逐漸變小。

      四、吸附動力學

      采用準二級動力學方程對不同聚合氯化鋁鐵污泥投加量下的磷吸附試驗進行擬合,結果如表1所示。

      表1 不同污泥投加量下磷吸附的準二級動力學參數

      污泥投加量/g qe.exp/(mg·g-1 k2(g·mg-1·min-1 R2 qe.cal/(mg·g-1
      0.4 5.655 0.0544 0.9928 4.999
      0.8 4.878 0.0592 0.9978 4.733
      1.2 3.847 0.1157 0.9995 3.801
      1.6 2.993 0.2923 0.9999 3.002
      2.0 2.443 0.6555 0.9999 2.428

      由表1可以看出,準二級動力學方程可以對磷的吸附過程進行很好地描述,相關系數均大于0.99。吸附反應的整個過程包括:

      ①磷酸根離子由溶液經液膜擴散到污泥表面;

      ②磷酸根離子在污泥顆粒內的擴散;

      ③磷酸根離子與污泥內、外表面上的吸附位點所吸附的活性基團(包括OH-、Cl-、SO42-等)進行配位交換反應。

      五、吸附等溫線

      采用Langmuir方程和Freundlich方程對不同污泥投加量下的磷平衡質量濃度與單位質量污泥磷吸附量的試驗結果進行擬合,結果如表2所示。

      表2 不同污泥投加量下磷吸附的Langmuir和Freundlich吸附等溫線參數

      pH值 Langmuir吸附等溫線 Freundlich吸附等溫線
      q0/(mg·g-1 b/(L·mg-1 R2 Kf 1/n R2
      4.5 6.049 2.365 0.9989 3.8087 0.2653 0.9708

      由表2可知,Langmuir方程和Freundlich方程都能較好地描述聚合氯化鋁鐵污泥對磷的吸附特征,其中Langmuir方程描述得更為準確,相關系數大于0.99。

      根據Langmuir方程可知,聚合氯化鋁鐵污泥較大理論吸附量為6.049mg/g,表明了聚合氯化鋁鐵污泥具有較高的磷吸附量。在Freundlich方程中,1/n小于0.5,表明了聚合氯化鋁鐵污泥較容易吸附磷,Kf值較大,表明聚合氯化鋁鐵污泥對磷的吸附能力較強。

      六、結論

      (1)pH值較低的條件有利于聚合氯化鋁鐵污泥對磷的吸附。磷的去除率隨污泥投加量的增加而增加,隨污水中初始磷濃度的增加而減小。單位質量污泥的磷吸附量隨污泥投加量的增加而減小,隨污水中初始磷濃度的增加而增加。

      (2)聚合氯化鋁鐵污泥對污水中磷有較強的吸附作用,對于磷的質量濃度為10mg/L的污水,在pH值為4.5,污泥投加量為1.6g的條件下反應180min,磷的去除率可達95%以上,污泥對磷的吸附量約為3.0mg/g。

      (3)準二級動力學方程能夠很好地描述聚合氯化鋁鐵污泥的磷吸附過程;通過吸附等溫線擬合參數可以發現,聚合氯化鋁鐵污泥具有較強的磷吸附能力,其較大理論磷吸附量為6.049mg/g。

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