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净水厂聚合氯化铝铁污泥对污水中磷的吸附作用

发布时间:2020-07-24     浏览次数:

摘要:采用控制变量法,逐一研究初始pH值、污泥投加量、初始磷浓度等条件下的聚合氯化铝铁污泥的磷吸附过程。结果表明,在pH值为4.5-9.0时,污泥对磷的吸附过程稳定,磷的去除率和单位质量污泥对磷的吸附量随pH值的下降而升高。磷的去除率随污泥投加量的增加而增加,随污水的初始磷浓度增加而减小。单位质量污泥磷吸附量随污泥投加量的增加而减小,随污水的初始磷浓度增加而增加。准二级动力学方程可以很好地描述污泥磷吸附过程。通过Langmuir和Freundlich吸附等温线方程发现,聚合氯化铝铁污泥具有较强的磷吸附能力,磷吸附量为6.049mg/g。

脱水铝污泥是自来水厂在净水过程中将铝盐作为絮凝剂吸附水中污染物的副产物,含有丰富的铝、铁等化合物,以及腐殖质、有机质和硅酸盐等物质。有研究表明,脱水铝污泥对水体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、温度、污泥粒径和溶液初始磷浓度等因素的影响,吸附磷的机理主要是配体离子交换反应。

虽然许多学者对净水厂脱水铝污泥吸附污水中的磷做了一些研究,但其中采用单一的铁污泥或铝污泥的较多,对于聚合氯化铝铁(PAFC)污泥的研究较少。因此,有必要研究各因素对聚合氯化铝铁(PAFC)污泥吸附污水中磷的过程的影响,其结果如下。

一、初始pH值对磷吸附量的影响

溶液初始pH值对磷吸附量的影响如图1所示。

图1pH值对聚合氯化铝铁污泥的磷吸附量的影响

由图1可以看出,pH值为9.0、5.0和4.5时,磷的吸附过程稳定,在180min时反应基本达到平衡,此时磷的去除率分别为38%、55%和53%,污泥的磷吸附量分别为4.75、6.88和6.62mg/g。

随着pH值的升高,溶液中OH-浓度增加,一方面使得污泥表面的电性变负,阻碍了磷酸根离子扩散到污泥表面,另一方面,OH-会对磷酸根离子产生竞争作用,这些都不利于污泥对磷的吸附。因此,较低的pH值条件有利于聚合氯化铝铁污泥的磷吸附过程。

二、污泥投加量对磷吸附量的影响

污泥投加量对磷吸附量的影响如图2所示。

图2聚合氯化铝铁污泥投加量对磷吸附量的影响

由图2可以看出,在180min时反应基本保持稳定,此时污泥投加量分别为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0g,磷的去除率分别为45.2%、78.0%、92.3%、95.8%和97.7%,污泥的磷吸附量分别为5.65、4.88、3.85、2.99和2.44mg/g。增加了污泥的投加量,就增加了吸附剂的量和吸附位点,所以磷的去除率更高,同时也使得溶液中磷的浓度降低得更快,减小了污水和污泥表面的浓度差,致使后阶段的吸附过程难以进行,单位质量污泥的磷吸附量降低。

三、污水中初始磷浓度对磷吸附量的影响

污水的初始磷浓度对磷吸附量的影响如图3所示。

图3污水初始磷浓度对聚合氯化铝铁污泥的磷吸附量的影响

由图3可以看出,初始磷的质量浓度分别为5、10、20mg/L时,反应在180min时基本保持稳定,磷的去除率分别为98.9%、94.6%和58.6%,污泥的磷吸附量分别为1.55、2.96和3.66mg/g。初始磷的浓度越高,可提供给污泥吸附的磷的量就越大,溶液和污泥表面的磷浓度差就越大,吸附作用更容易发生,因此初始磷浓度更高时,磷的吸附量更高,但是一定污泥表面的吸附位点数量是一定的,因此高初始磷浓度下的磷的去除率更低。

另外,由图1-图3可以发现,在各反应的前15min内,吸附反应进行得较快,之后较为缓慢,由此可将吸附过程划分为快速吸附阶段和慢速吸附阶段。Babatunde等在利用给水污泥吸附除磷时发现,随着反应的进行,其吸附速率逐渐变小。

四、吸附动力学

采用准二级动力学方程对不同聚合氯化铝铁污泥投加量下的磷吸附试验进行拟合,结果如表1所示。

表1 不同污泥投加量下磷吸附的准二级动力学参数

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,准二级动力学方程可以对磷的吸附过程进行很好地描述,相关系数均大于0.99。吸附反应的整个过程包括:

①磷酸根离子由溶液经液膜扩散到污泥表面;

②磷酸根离子在污泥颗粒内的扩散;

③磷酸根离子与污泥内、外表面上的吸附位点所吸附的活性基团(包括OH-、Cl-、SO42-等)进行配位交换反应。

五、吸附等温线

采用Langmuir方程和Freundlich方程对不同污泥投加量下的磷平衡质量浓度与单位质量污泥磷吸附量的试验结果进行拟合,结果如表2所示。

表2 不同污泥投加量下磷吸附的Langmuir和Freundlich吸附等温线参数

pH值 Langmuir吸附等温线 Freundlich吸附等温线
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方程都能较好地描述聚合氯化铝铁污泥对磷的吸附特征,其中Langmuir方程描述得更为准确,相关系数大于0.99。

根据Langmuir方程可知,聚合氯化铝铁污泥较大理论吸附量为6.049mg/g,表明了聚合氯化铝铁污泥具有较高的磷吸附量。在Freundlich方程中,1/n小于0.5,表明了聚合氯化铝铁污泥较容易吸附磷,Kf值较大,表明聚合氯化铝铁污泥对磷的吸附能力较强。

六、结论

(1)pH值较低的条件有利于聚合氯化铝铁污泥对磷的吸附。磷的去除率随污泥投加量的增加而增加,随污水中初始磷浓度的增加而减小。单位质量污泥的磷吸附量随污泥投加量的增加而减小,随污水中初始磷浓度的增加而增加。

(2)聚合氯化铝铁污泥对污水中磷有较强的吸附作用,对于磷的质量浓度为10mg/L的污水,在pH值为4.5,污泥投加量为1.6g的条件下反应180min,磷的去除率可达95%以上,污泥对磷的吸附量约为3.0mg/g。

(3)准二级动力学方程能够很好地描述聚合氯化铝铁污泥的磷吸附过程;通过吸附等温线拟合参数可以发现,聚合氯化铝铁污泥具有较强的磷吸附能力,其较大理论磷吸附量为6.049mg/g。

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