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陶粒吸附除磷的影响因素

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/14     浏览次数:    
    
    在陶粒吸附除磷过程中,影响水溶液中磷吸附去除的因素有很多,常见的有陶粒粒径、磷初始浓度、温度、吸附时间、pH以及共存离子的干扰等。
    3.1陶粒粒径
    陶粒粒径影响水处理效率,粒径较大在反应器运行时易于清洗,能有效减少管道板结和堵塞,而粒径也影响对磷的吸附量。SEO等[55]研究不同粒径的牡蛎壳基质对磷的吸附时,发现粒径增加导致磷吸附量降低。赵桂瑜等[24]185研究了页岩陶粒对磷的吸附,结果表明,随粒径减小,平衡吸附量先增加后减小,在0.3mm时平衡吸附量最大,为59.4mg/kg。如表1所示,陶粒粒径范围为0.3mm[20]至10mm[16]。不同材料其制备的陶粒粒径不仅受材料本身性质的影响,而且也受造粒成球工艺的影响,因此陶粒粒径主要是这两个方面因素综合作用的结果。
    而陶粒粒径对磷的吸附主要也存在两个方面影响。刘晓等[39]58制备的钢渣陶粒比表面积为9.03m2/g,其为钢渣比表面积的5.5倍,理论最大吸附量为钢渣的3.3倍。而陶粒的负载使得陶粒孔径较小而比表面积增大,粉煤灰为主要原料制备的陶粒负载水合氧化钛后比表面积由7.25m2/g增大至32.06m2/g,其内部孔径由10mm以上变为4mm左右。罗沛聪等[26]以粉煤灰为主要原料,在低温400℃下烧结的陶粒孔隙率为41.9%。代亚辉[56]以粉煤灰为主要原料,添加煤矸石作为造孔剂,陶粒空隙率为42.13%。QIN等[57]制备含40%(质量分数,下同)石灰泥、55%煤飞灰和5%硅藻土的陶粒,在1050℃下烧结后孔隙率为49.49%。作为多孔性固体减小粒径容易破坏其孔隙结构,但减小粒径有利于提高比表面积和扩散速率,因此陶粒粒径存在一个最佳值,制备过程中需要进行优化实验。
    3.2磷初始浓度
    不同来源的污水磷含量存在差异。
    邢奕等[58]研究了净化城市湖泊(宜兴团汣)湖水的3个下行垂直潜流人工湿地中不同深度的陶粒对磷的吸附特性,同一湿地的下层陶粒比上层陶粒有更强的吸附能力,这是由于下层陶粒的磷吸附位比上层饱和得迟些,在饱和前表现更强的吸附能力;当标准液中磷质量浓度为10mg/L时,下层陶粒的吸附是上层的1.12~1.28倍。张林生等[59]以多孔陶粒为载体,在一定条件下利用非均相及二次成核作用在陶粒表面沉积一层羟基磷酸钙晶体,多孔陶粒作载体形成结晶体效果较好;当原水含磷质量浓度为2~5mg/L时,该晶种的连续流固定床除磷率较高且稳定,可达90%以上。童晶晶等[60]利用粉煤灰、锯末和铁矿石等废弃物经造粒和高温烧结,自行开发了两种高效功能陶粒,并将其与沸石以“砖墙”式嵌套填充,构筑了高效功能陶粒生物滤池,并研究了其对农村生活污水深度除磷作用,结果表明,当磷初始质量浓度为4.0mg/L时,高效功能陶粒生物滤池的磷去除率达到了89.1%~99.7%,优于普通生物滤池。董庆洁等[61]用凹凸棒土与MgCl2反应制成了颗粒状复合吸附剂,在磷初始质量浓度为100mg/L、吸附温度为293K、pH为5.4时,该吸附剂对磷的最大吸附量为34.8mg/g。但由于城市管网的污水中总磷量在4~15mg/L[62],低浓度磷高效去除才能说明材料吸附性能良好,但大多数实验室的磷溶液初始浓度都偏大,跟实际污水中磷浓度存在较大偏差,所以即使材料对磷的吸附量很大或磷去除率很高,其实际并意义不大。因此,在实际废水磷含量范围内开展系统研究是陶粒吸附除磷有效性的一个重要方面。
    3.3温度
    污水的温度随季节性变化,也存在地域性差异。
    龚春明[8]698研究了温度对牡蛎壳制备的陶粒吸附除磷的影响,结果表明,当温度为15~25℃时,温度升高不仅使溶液中磷克服陶粒表面液膜阻力的能力增强,而且有利于陶粒表面吸附的磷沿微孔向内部迁移,使陶粒表面空出吸附空位,磷吸附量从0.13mg/g上升至0.16mg/g;超过25℃时,磷吸附量趋于平衡且变化不明显。李倩炜等[63]利用自制粉煤灰陶粒作为曝气生物滤池填料,对上海某城市污水处理厂磷的进一步处理进行了现场试验,结果表明,低温不利于总磷的去除。李海斌等[23]1585研究发现,随温度的升高陶粒对磷的吸附量逐渐增大。陶粒对磷的吸附量基本都随温度的升高而逐渐增大,说明主要以化学吸附为主,证明磷污染物能与陶粒原料成分很好地结合而固定。但蒋丽[64]研究发现,粉煤灰陶粒在不同温度下的磷去除效果依次为15℃>25℃>35℃,吸附性能随着温度的降低而升高,这是因为吸附反应是自发的放热反应。
    一般来说,污水处理只能是常温,不可能对污水做降温和升温处理,否者必然会增加经济成本。因此,最好针对不同污水的温度开发适合条件的陶粒。
    3.4吸附时间
    附时间影响污水处理效率,这与pH、温度、陶粒理化性质等因素存在相关性。杨敬梅等[43]53制备的陶粒对磷18h达到饱和吸附量。赵桂瑜等[24]184制备的页岩陶粒对磷的吸附平衡时间为12h。茹菁宇等[65]66的改性陶粒对磷的吸附平衡时间为5h。
    赵占军等[15]利用圆陶粒对磷进行吸附,磷吸附量在120min时达到最大。
    在实际操作和实验中,需要吸附时间短以提高陶粒的吸附效率,这不仅需要选择合适的原料,而且需要合适的吸附条件。祝成成等[66]采用硫酸处理净水污泥,与外添加剂混合,焙烧制备用于水处理的陶粒,并研究了动态试验中水流流速对穿透时间的影响。结果表明,随着水流流速的增大,吸附柱的穿透时间缩短,对水中磷的去除效果降低;从反冲洗时间看,陶粒滤料反冲洗时间比石英砂滤料短,可节省冲洗水量和动力消耗,可节省日常运行费用。宁倩[44]39-40研究发现,陶粒填充吸附柱的高度与吸附达到穿透和平衡的时间成正比,而进水磷初始浓度与吸附达到穿透和平衡的时间成反比,说明可供吸附的位点越充足,PO34-的吸附越完全。
    因此,需要在实际过程中有效控制吸附时间,并且加强陶粒的机制性研究,提高磷的去除效率。
    3.5pH
    不同水质的pH存在差异。pH不仅影响陶粒的吸附效率,而且会影响磷酸盐的存在形式。陶粒吸附除磷的最佳pH主要与陶粒吸附除磷的主要成分与不同pH下磷酸盐的存在形态有关。蒋丽等[7]1419在1150℃下烧结25min制备得到的粉煤灰陶粒,在较宽的pH范围(4~10)内均能较好地去除磷酸盐,其中在自然pH(约为6)时磷酸盐去除效果最佳,说明陶粒在此pH下与H2PO4-的结合能力最强。茹菁宇等[65]66-69研究发现,陶粒经过镧系稀土金属元素改性后处理含磷废水时,由于pH能影响含磷溶液中吸附剂表面电荷及吸附质在水中的形态,因而pH对磷的吸附效果具有一定影响。
    同时,陶粒本身偏碱性,在酸性条件下对含磷废水起到了一定的中和沉淀作用,改性陶粒适用于pH为4~11的含磷废水。宁倩[44]34-35制备的球形陶粒在pH为2.8~12时均保持较高的磷去除率(约100%),具备很广的pH适用范围。LU等[67]利用高温和活性炭活化陶粒使其具有很好的耐酸碱性能,可实现循环利用,但是需要注意的是活性炭受共存离子的影响显著。
    此外,在制备陶粒过程中添加凹凸棒土、碳酸镧、氧化镧、活性炭等耐酸碱的原料容易使得陶粒具有耐酸碱性质,这种性质是陶粒可以循环利用的前提。
    3.6共存离子
    含磷酸盐污水中实际存在的各种离子影响着磷的吸附。宁倩[44]43-44研究发现,当SO24-、NO3-、NH4+共同存在的情况下,吸附柱的穿透时间和达到平衡时间延迟相差不大,说明这3种共存离子对吸附柱的除磷效果影响较小,但由于多价态的离子比单价态的离子更容易吸附,其吸附速率依次为SO24->NO3->NH4+,其原因与离子电荷/半径的大小排列顺序(SO24-(2/2.40)>NO3-(1/1.33)>NH4+(1/1.81))有关。CHEN等[49]786利用La(Ⅲ)负载颗粒吸附剂在不同共存离子中对磷去除率的影响进行了研究,结果表明,磷去除率依次为空白(无共存离子)>NO3->SO24->Cl->F-,该结果与离子电荷/半径大小排列顺序(F-(1/1.15)>SO24-(2/2.40)>Cl-(1/1.18)>NO3-(1/2.18))有关;由于吸附剂表面的La(Ⅲ)对Cl-比SO24-具有更强的亲和力,所以Cl-比SO24-干扰磷的吸附效果更明显,Cl-比SO24-对磷的吸附影响更大。DAI等[68]利用制备的工程水热复合材料在不同共存离子中对磷去除效果的影响进行了研究,结果表明,当污水初始pH为4.5、离子强度为0.10、0.01mol/L时,由于库伦斥力或共存离子竞争磷酸盐吸附位导致磷吸附量依次为Cl->NO3->SO24-。

    共存离子影响磷的去除效果与材料的本身性质以及磷的存在形态有关,因而导致吸附效果存在差异。共存离子的影响不仅是低分子量无机阴离子的影响,无机阳离子以及土壤与水体中广泛存在的天然溶解有机质(如腐植酸、富里酸等)也是影响陶粒对磷吸附的重要因素,但目前开展水体中共存阳离子和溶解有机质对陶粒吸附除磷影响的研究很少。

本文由 武汉陶粒厂家 整理编辑,节选自《陶粒处理含磷污水的研究进展》陶粒吸附除磷的影响因素部分。

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