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陶粒处理含磷污水机制

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/12     浏览次数:    

  陶粒主要组分对磷的去除由于磷是水体富营养化的主要限制性因素,所以有效的水体除磷对防治水体富营养化至关重要。

  以生活污水为例,污水中的磷主要以正磷酸盐、聚磷酸盐形式存在(见图1[25])。污水中磷转化过程如图2所示。正磷酸盐在水体中解离会形成H3PO4、H2PO4-、HPO24-和PO34-,各种形态的含量分布随pH而异,在pH为6~9的污水中,主要存在形态为H2PO4-和HPO24-。

  陶粒作为一种除磷材料,其原料的主要化学组成如表2所示。

  磷酸盐沉淀是配位基参与竞争的电性中和沉淀,即PO34-通过与金属盐离子结合产生化学沉淀予以去除,溶液中磷酸盐首先被陶粒快速吸附,与陶粒中钙、铝、铁等金属发生化学反应,转化成稳定的Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P和Ca10-P等沉淀态磷[30]。

  2.1.1SiO2SiO2在陶粒中的作用至关重要,其化学性质稳定、易于反冲洗、水损耗量较小、能有效进行气、水均匀分配等特点。以秸秆作为原料之一制备的烧结陶粒,由于烧结过程中坯料中的部分有机物挥发及少部分水的毛细作用,利于形成陶粒的多孔结构。烧结过程形成的硅酸盐活性材料不仅具有磷吸附能力,而且由于SiO2的伸缩变形小能减小陶粒的变形及破损,从而提高了陶粒的循环利用性能。

  BAO等[31]以凹凸棒土和锯末为原料制备的磁性多孔陶粒,其抗压强度与SiO2在不同温度下的存在形态有关。常会庆等[32]研制的陶粒后期总磷去除效果明显低于前期,其主要原因与陶粒的主要化学成分SiO2不能和尾水中磷酸盐形成更稳定的化学吸附或发生化学沉淀有关。赵桂瑜[28]研究的砾石主要成分为SiO2,含活性氧化物量较低,对磷的吸附主要是物理吸附。

  2.1.2铁Fe2+能与污水中磷反应生成磷酸盐类沉淀;同时,体系中存在的部分表面带有正电荷的胶体状氢氧化物或氧化物还可吸附污水中的磷酸盐;另外,借助多核氢氧化铁的悬浮体作用,可产生不溶于水的金属聚合物,能快速降低水中磷酸盐的浓度,其产物将与磷酸盐发生化学吸附并进行络合反应,促进形成络合物共同沉淀。

  JI等[33]871添加金属铁改性陶粒增强了电化学效应,降低了堆积密度和酸碱溶解度。YUAN等[34]制备的零价铁/活性炭多孔陶粒,其Fe-C的微电解反应具有很好的去污能力。WANG等[35]研究的铁掺杂的陶砂样品可能是由于其内部粒子扩散和更高的结合能量,对有机磷和无机磷都具有较高的磷去除率,最大磷吸附能力顺序为磷酸盐>β-甘油磷酸二钠盐>腺苷-5’-三磷酸二钠盐,吸附能力与磷化合物的结构、大小及陶砂的性质有关,吸附过程复杂,无论是表面吸附和颗粒内扩散同时发生都有助于陶砂对磷的吸附。

  2.1.3铝Al3+不仅能与PO34-反应生成AlPO4沉淀,还能水解生成单核络合物Al(OH)2+、Al(OH)2+、AlO2-等,单核络合物再碰撞络合形成多核络合物Aln(OH)m(3n-m)+(n>1,m≤3n),其具有较大比表面积和较高的正电荷,可迅速与水体中带负电的杂质结合使胶体电荷中和、双电层压缩及降低胶体电位,使胶体和悬浮物等快速脱稳、凝聚和沉淀而达到除磷效果。徐晓虹等[36]以铝化物为主要原料制备的陶粒滤球去污率高达85%以上,远大于石英砂。

  Al2O3在陶粒中起到骨架作用,适当提高温度有利于提高陶粒的强度,因为烧结过程中形成的莫来石能成为陶粒的骨架结构。

  2.1.4镁Mg2+水解反应能产生多核水羟合镁离子[Mgx(OH)y(H2O)z](2x-y)+[37],该水化产物对微量的PO34-具有很强的捕捉作用,产生多核水羟合镁离子取决于液相中Mg2+的浓度。Mg2+在NH4+存在下还与PO34-反应生成鸟粪石(见式(1))。

  Mg2++PO34-+NH4+=MgNH4PO4(1)另外,PO34-还可置换MgO表面的羟基以双齿形结合在镁表面,其化学吸附的离子可能是通过氢键产生的多层吸附。李海斌等[23]1585制备的MgO/地铁渣土复合陶粒,通过添加MgO在陶粒中既能提高陶粒的磷吸附能力,又能降低陶粒的烧结温度。

  2.1.5钙Ca2+与HPO24-、PO34-和OH-反应产生晶吸现象生成碱式磷酸钙,磷酸钙等化合物能使污水产生过度饱和现象而减小污水的沉降作用,其晶核不但能维持Ca-P的平衡,而且能使界面能降低,进而引起沉降过程,磷可在陶粒表面的沉积,反应式见式(2)。

  3HPO24-+5Ca2++4OH-=Ca5(OH)(PO4)3↓+3H2O(2)曹世玮等[38]选择高钙粉煤灰陶粒作为人工湿地基质,吸附的Ca-P量达到总磷吸附量的90%。刘晓等[39]55研究的钢渣陶粒吸附除磷效果明显优于钢渣,两者对磷的去除都以生成磷酸钙沉淀为主,而前者所含的磷酸二钙型产物比例较高。

  刘宝河等[40]391