微波辅助FeCl3复合改性生物陶粒除磷研究

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营养元素氮、磷过剩是导致水体富营养化的主要原因,而磷含量是控制淡水水体富营养化的主要因素之一,较低的氮磷比更易引起水体富营养化。吸附法除磷具有工艺简单、占地小、产泥量小、环境友好等优点,如何在提高吸附剂吸附容量的同时,控制吸附剂制备成本,是吸附法除磷的研究重点。通过实验室配制3mg/L的模拟含磷废水进行吸附处理试验,对7种常见的吸附剂材料进行比选,遴选吸附剂。采用化学法和微波法对吸附剂进行改性,对比了单一改性和复合改性共24种组合改性方式的除磷效果,最终确定吸附剂的最佳改性方式,并对改性吸附剂的最佳制备条件进行了研究。通过扫描电镜、比表面积及孔径分析、傅立叶红外光谱、X射线衍射、等温吸附曲线拟合、吸附动力学模型拟合等方法对改性吸附剂除磷的吸附机理进行分析,最后进行吸附剂的解吸再生试验和实际含磷废水的动态吸附试验。得出以下主要结论:(1)100ml的3mg/L模拟含磷废水,在吸附剂投加量20g/L,室温下振荡5h条件下,经预处理的沸石、生物陶粒、火山石、椰壳活性炭、商用活性炭、石英砂、硅藻土7种吸附剂材料中,生物陶粒对总磷吸附效果最好,去除率为61.15%,故选择生物陶粒为本试验的吸附剂。(2)单一化学改性:分别采用1mol/L的酸(HCl)、碱(NaOH)、盐(NaCl、MgCl2、CaCl2、FeCl3、Al2(SO43、ZnCl2)对生物陶粒进行水热化学改性,制得的8种化学试剂改性生物陶粒中,FeCl3改性生物陶粒对总磷的吸附效果最优,对100ml的3mg/L含磷废水,在吸附剂投加量20g/L,室温条件(下同)振荡吸附180min时,总磷去除率为90.24%,吸附240min时,总磷去除率达97.76%。物理化学复合改性:(1)8种化学试剂+高温焙烧(400℃3h)改性生物陶粒中,FeCl3+高温焙烧后的陶粒对磷的吸附效果最优,振荡吸附180min时,总磷去除率为70.56%,吸附240min时,总磷去除率达89.38%。(2)8种化学试剂+微波辐射(406W 10min)复合改性生物陶粒中,FeCl3+微波辐射改性陶粒对总磷的吸附效果最优,振荡吸附180min时,总磷去除率为98.27%,吸附240min时,总磷去除率可达100%。24种改性方法组合中,FeCl3+微波辐射改性生物陶粒对总磷的吸附效果最好,故选择微波辅助FeCl3改性为生物陶粒的最佳改性方法。根据单因素试验结果,FeCl3溶液浓度0.6mol/L,固液比1:5,微波辐照功率567W,微波辐照时间10min为微波辅助FeCl3改性生物陶粒(下简称改性陶粒)的最佳制备条件。(3)SEM电镜扫描发现改性陶粒表面呈现出不规则多孔结构,具有大量的孔洞、缝隙,平均孔径增大;FTIR红外光谱分析发现改性后陶粒表面官能团中,饱和烷烃基团种类和数量减少,羧基和酚羟基酸性官能团数量增加,这一方面为磷酸根的吸附提供了更多的吸附位点,另一方面陶粒形成羟基化表面,水中的磷酸根会与羟基发生离子交换,生成表面配位络合物;XRD分析可知:改性前陶粒主要由SiO2、Al2O3、CaCO3、Fe2O3等成分组成,改性后陶粒的CaCO3含量大幅降低,Al2O3含量也有所降低,此外陶粒表面出现了纳米态的FeOOH,FeOOH提高了改性陶粒整体的等电点,有利于吸附水中带负电的磷酸根离子,同时,水中的磷酸根能取代羟基位置,并与Fe3+配位,生成络合物,使磷得以去除;BET测试结果显示,改性前后陶粒孔结构类型均属不均匀狭缝孔,孔径总体处于介孔范围,最可几孔径在4.1nm左右,改性陶粒比表面积比改性前增大了3.26倍,孔容也得到较明显的提高,提高了陶粒对总磷的吸附能力。(4)改性陶粒对总磷的吸附行为更符合Langmuir等温吸附模型,相关系数为0.9858,说明对磷的吸附主要以单分子层的化学吸附为主,物理吸附为辅;改性陶粒吸附总磷过程与伪二级动力学方程拟合程度最高,相关系数为0.9944,说明总磷吸附速率的控制性步骤是化学反应或通过电子得失的化学吸附。(5)总磷浓度为3mg/L时,改性陶粒吸附总磷的静态实验最佳工况:改性陶粒投加量30g/L,模拟含磷废水溶液pH=4,反应温度55℃,振荡时间50min条件下,改性陶粒对水中总磷的吸附去除率可达100%,几乎可以实现对磷的完全去除。(6)1mol/L浓度的NaOH溶液作为解吸剂,对吸附饱和改性陶粒的解吸效果最好,总磷的解吸率达到96.22%,可以实现对磷的有效回收。经解吸处理的改性陶粒,再用来吸附3mg/L的含磷废水,总磷去除率为64.99%。(7)采用700mm柱高,50mm内径的吸附柱进行动态吸附实验。最佳吸附条件:改性陶粒滤层厚度0.45m,废水进水流量4ml/min条件下,吸附穿透时间为570min,吸附饱和时间为780min。改性陶粒滤层越厚,进水流量越小,总磷的吸附穿透时间和吸附饱和时间越长。(8)昆明某高校中水处理站初沉池出水总磷平均浓度为2.632mg/L,经改性陶粒滤柱动态吸附后总磷去除率达83.73%。呈贡区龙王庙沟上游段污水总磷浓度为1.326mg/L,动态吸附后总磷去除率达74.81%。(9)改性陶粒对废水中的总磷有较好的去除作用,原料价格比活性炭滤料低,且生物陶粒具有机械强度大、适宜微生物挂膜、不会增加出水色度的优点,适合作为水处理滤料推广使用。
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