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    污水除磷方法

    來源:水處理技術中心   作者:中藍  時間:2015-08-25  瀏覽:次

      目前,污水除磷的方法有化學沉淀法、電解法、微生物法、水生物法、物理吸附法、土壤處理法和膜技術處理法等。其中吸附法以其容量大、耗能少、污染小、去除快和可循環等優點,在除磷方面得到了廣泛的應用。用單一材料直接吸附磷的研究已經成熟,現在的主要研究方向已經轉為對材料進行改性后用于磷的吸附研究,改性材料的吸附研究方興未艾。
      吸附法除磷研究現狀
      1. 活性炭
      近年來對活性炭用于吸附的研究,大多以改性的方式出現,通過增強活性炭的化學吸附能力來提高除磷效果。
      含鐵活性炭有很好的吸附磷效果,對比含鐵活性炭(AC-Fe)和含鐵氧化活性炭(AC/O-Fe)后發現,通過硝酸氧化的活性炭(AC/N-Fe)可搭載更多的Fe,從而在活性炭表面形成大量的活性位點,得到了比AC-Fe更高的磷吸附效果。其中AC/N-FeⅡ和AC/N-FeⅢ的吸附過程主要以表面吸附和顆粒內擴散為主,且AC/N-FeⅡ較AC/N-FeⅢ顆粒內擴散能力強,活化能更高,因此綜合研究表明:AC/N-FeⅡ對磷吸附效果優于AC/N-FeⅢ。
      ACF-La的吸附磷能力會因溶液中存在NO3-、SO42-、CO32-而變差。ACF-LaOH吸附磷的主要機理是配體交換、靜電作用和Lewis酸堿反應。pH增加會減弱配體交換和靜電作用的能力,而增強Lewis酸堿反應的能力,致使綜合吸附量減少。研究ACF-LaFe吸附磷發現,ACF-LaFe帶有大量凈正電荷,使得其最大吸附容量高于ACF-LaOH,室溫下最大吸附容量可達29.44 mg/g,共存陰離子對吸附磷有不利影響,順序為:F->SO42->NO3- >Cl-。
      2. 生物質
      生物質主要指自然界中一切有生命的可以生長的有機物質。用于吸附工程的有機物質及其廢棄物就是生物質吸附劑。生物質吸附劑具備以下優點:材料成本低、分布廣;孔隙率高,表面積大;表層含有較多羥基,改性簡單,與磷酸根離子反應的活性較高;在水中不溶解,易分離。近年來研究的生物質吸附劑有軟體動物殼、蛋殼、甘蔗渣等。
      在研究用牡蠣殼吸附初始質量濃度為10 mg/L的磷時發現,反應溫度從20 ℃升到30 ℃和殼粒徑從590 μm降到180 μm,都會增大牡蠣殼的吸附容量,牡蠣殼有豐富的吸附位點,并且比大多數吸附劑更環保。
      T. 用焙燒廢蛋殼(CWE)吸附磷時發現,CWE對磷的吸附去除率在pH 為2~10時都能大于99%,并得到吸附劑的最佳投加質量濃度為2 g/L;其他陰離子的存在對CWE吸附磷的影響不大,吸附磷后的CWE由于含有大量鈣、鎂和磷,可用作肥料和土壤改良劑;附著氫氧化鐵的廢蛋殼吸附磷的速率很快。
      W.研究改性甘蔗渣吸附磷的效果發現,附著Fe2+的甘蔗渣(0.06 mol/g)比不附著 Fe2+的甘蔗渣在吸附磷的效率方面提高了45%,羧甲基改性的甘蔗渣附著Fe2+的濃度比未改性的甘蔗渣提高了80%,只需要對原材料做稍微的化學改性,磷吸附性能就能得到大大的優化。
      3. 金屬(氫)氧化物
     ?。?) 金屬氧化物
      金屬氧化物具有表面積大、羥基團眾多和選擇吸附性高的優點。
      氧化鐵吸附磷主要通過球面的靜電吸附和球內絡合的化學吸附〔11〕。磁性氧化鐵納米粒子在磷的初始質量濃度為2~20 mg/L、吸附劑投加質量濃度為0.6 g/L、反應時間為24 h時,得到磷最大吸附容量為5.03 mg/g,在pH=11.1時,吸附容量則急劇下降到0.33 mg/g。
      L. 研究水合氧化鋯吸附磷時發現,溫度由25 ℃升至65 ℃時,吸附容量則由53 mg/g升至67 mg/g,且在12 h達到吸附平衡,在pH=12時能解吸約74%的磷。氧化鋯納米粒子吸附磷的速率很快,在pH=6.2時可達最大吸附容量為99.01 mg/g,是吸附容量最高的吸附劑之一,高濃度的共存陰離子對磷的吸附影響很小,吸附的最適pH 為2~6,吸附容量在pH超過7時急劇下降〔14〕。
     ?。?) 水滑石
      在研究MgAl-CO3水滑石吸附磷時發現,當磷的初始質量濃度在25~100 mg/L時,30 min內即可達到吸附平衡,磷的去除率超過99%。MgAlZr-CO3水滑石對磷的選擇吸附性很高,吸附溶液中離子的排序為HPO42->>SO42->Cl-、NO3-,這是由于磷酸根離子直接與層間Zr(Ⅳ)離子發生了絡合反應。
      研究ZnAl-2-300水滑石吸附磷的效果發現,污泥脫水液的溫度從25 ℃升到30 ℃時,水滑石的磷吸附容量明顯增加,水溫繼續升至50 ℃時,水滑石吸附容量又降至25 ℃時的水平。焙燒ZnAl水滑石會增大表面積和增加孔隙率,焙燒溫度為300 ℃時除磷效果最佳,600 ℃時變成尖晶石從而減小了表面積。
      膠體水滑石納米片在pH為4.5~11內的除磷效果較好,吸附磷后的吸附劑可用作普通海藻石莼的生長肥料。
      4. 硅基介孔分子篩
      研究粉煤灰一鍋法制備MCM-41吸附磷發現,在pH=10時MCM-41-CFA-10有最大的空隙體積0.98 cm3/g、最高的比表面積1 020 m2/g和最低的n(Si)∶n(Al),并在25 ℃時有64.2 mg/g的吸附容量,比SBA-15的53.5 mg/g、MCM-41的31.1 mg/g和硅藻土的62.7 mg/g都要大。在研究載鑭二氨基改性的MCM-41吸附磷時發現,該吸附劑的吸附速率和吸附容量都很高,最大吸附容量為54.3 mg/g,pH 3.0~7.0為吸附反應最適的pH,溶液中Cl-和NO3-的存在對除磷影響很小,而F-和SO42-的存在則影響明顯。
      J. 對比純的、氨基官能化的和共縮合的SBA-15發現,它們的最大吸附容量分別為2.018、59.890、69.970 mg/g,內孔表面附著的氨基帶來的強化學親和力是較純SBA-15吸附容量更高的原因。
      5. 黏土礦物
      黏土礦物是組成黏土巖和土壤的主要礦物。它們是一些含鋁、鎂等為主的含水硅酸鹽礦物,是各類土壤和沉積物的主要成分,其結構特征是一種含水的層狀結構。常用于吸附工程中的黏土礦物有高嶺石、膨潤土、蛭石、凹凸棒土和鹿沼土等。
      研究經鹽酸和煅燒改性的高嶺土對磷的吸附效果發現,鹽酸改性的高嶺土表面積會增大,從而大量的Al、Si等活性點位暴露,吸附磷能力變強,質量分數為9%的酸改性的高嶺土在磷的初始質量濃度為20 mg/L的25 mL溶液中時吸附磷效果最佳,去除率為81.8%,500 ℃煅燒改性的高嶺土中Al元素表現出最佳的活化狀態,對溶液中磷的去除率可達99.5%。對比未改性、煅燒改性和酸改性的高嶺石發現,酸改性的高嶺石是這其中吸附磷容量最大的,投加少量的高嶺土能大量減少溶液中的磷酸鹽。
      用鑭改性的膨潤土吸附淡水和咸水中的磷發現,pH超過8.1時,該膨潤土和磷的結合能力受到較大影響,由于硬水中CO32-溶度較高,這種影響在硬水中表現得更為明顯。用鹽酸和煅燒法改性膨潤土吸附磷的研究發現,改性膨潤土的除磷效果隨酸濃度的增加而增加,500 ℃煅燒改性的膨潤土在磷初始質量濃度為10 mg/L、pH=9時對磷的去除率可達92.77%,0.47 mg/L的剩余磷質量濃度已達到廢水綜合排放的一級A標準。
      研究用La(OH)3改性的剝離蛭石吸附磷時發現,蛭石在25 ℃時有最大吸附容量,為79.6 mg/g,用該改性蛭石對2 mg/L低濃度磷酸鹽的二級出水進行處理,10 min即可達到97.9%的除磷率,使磷的質量濃度降到了50 μg/L以下,溶液中F-、Cl-、NO3-、SO42-的存在對除磷影響可以忽略不計,但0.1 mol/L的CO32-存在會使磷的去除率下降到54.3%。研究煅燒溫度對凹凸棒土吸附磷的影響時發現,在200~900 ℃的煅燒溫度中,700 ℃煅燒的凹凸棒土有最大吸附容量,為5.2 mg/g。研究鹿沼土對磷的吸附實驗發現,吸附過程中前110 min進行快反應,110 min之后到超過24 h為慢反應,最大吸附容量為2.13 mg/g,由于吸附的最佳pH=6,則鹿沼土對廢水中磷的吸附一般無需調節pH。
      6. 其他
      除了上述幾類吸附劑外,鐵礦、石墨烯和凝膠等也可以作為除磷的吸附劑。研究水鐵礦對磷酸鹽的吸附實驗發現,在pH=4時得到最大吸附容量,為104.8 mg/g;而在pH=7時的吸附容量也有77.8 mg/g。該吸附劑可直接用于市政污水(pH 6.5~7.3)的處理,溶液中Cl-、NO3-、SO42-的存在對除磷的影響很小。研究磷在磁鐵礦-針鐵礦混合相上的吸附時發現,在初始磷質量濃度為51.8 mg/L、pH=2和磁鐵礦-針鐵礦混合相投加質量濃度為10 g/L時,磁鐵礦-針鐵礦對溶液中磷的去除率達到了94.16%。在初始磷質量濃度為100 mg/L和溫度為30 ℃時,石墨烯對磷的吸附容量達到了89.37 mg/g〔32〕。用吸附了Cu的水凝膠無需任何處理直接用于吸附磷的研究發現,在pH=6.1時該凝膠有最大磷吸附容量87.62 mg/g,共存陰離子對除磷影響的順序為C5H7O5COO->SO42->HCO3->Cl->NO3-,前兩者影響較大,后兩者影響較小。
      結語
      相比其他除磷技術,吸附法除磷具有容量大、耗能少、污染小、去除快和可循環等優勢,但其自身也存在許多不足之處:共存離子對改性活性炭除磷影響顯著;生物質的吸附容量較小;pH的變化對金屬氧化物吸附容量影響很大;幾種特定的陰離子對硅基介孔分子篩影響較大;黏土礦物普遍存在吸附容量小的缺陷。
      因此,在以后的吸附法除磷研究中,主要有幾個方面值得深入探究:
      (1)要兼顧以上不足之處選擇合適的改性方法;
      (2)對改性的吸附原理研究,目前的研究多注重去除效果,缺乏系統全面的描述除磷原理和過程的理論及模型;
      (3)研究吸附劑的后續處理,不注重吸附磷后的后續處理,往往會帶來二次污染,不利于環保,可以把廢料開發為植物肥料或土壤改良劑等。隨著吸附劑改性的發展和理論的研究深入,吸附法在廢水除磷和治理富營養化水體中必定會發揮重要作用。

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