生活污水處理工藝研究

近年來，我國水體富營養(yǎng)化問題日漸加劇，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展.而磷是引起水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)，減少城市污水中磷的排放對控制富營養(yǎng)化具有非常重要的意義.

　　城市生活污水處理通常采用生物法，該法對氨氮和COD的去除效果好，但除磷效果差.與生物法相比，化學(xué)混凝法除磷具有處理效果好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在工程應(yīng)用中存在藥劑投加量大、成本高、產(chǎn)泥量大等缺點(diǎn)，因此研制低成本率的除磷混凝劑具有很高的應(yīng)用價(jià)值.

　　目前水處理混凝劑主要為鋁鹽(或鐵鹽)混凝劑，如廣泛應(yīng)用的聚合氯化鋁(PAC)，其一般采用鋁屑、氫氧化鋁、氯化鋁、鋁土礦等作為原料進(jìn)行制備，成本較高.而一些工業(yè)廢渣中含有大量可回收利用的鋁鐵元素，原料易得且價(jià)格低廉，近年來，利用工業(yè)廢渣作為原材料制備混凝劑的研究得到了足夠的重視.

　　粉煤灰是燃煤電廠排出的固體廢渣，其氧化鋁含量通常為20%~35%，zui高可達(dá)50%，可代替鋁土礦成為一種很好的氧化鋁資源.如果利用粉煤灰為原料來生產(chǎn)鋁鹽混凝劑既可降低生產(chǎn)成本，又能使廢物循環(huán)利用，避免對環(huán)境的“二次污染”.國內(nèi)外一些學(xué)者對于將粉煤灰作為混凝劑處理污水方面開展了研究工作.例如針對預(yù)處理后的造紙廠廢水，采用粉煤灰作為吸附劑進(jìn)行深度處理，COD和色度的去除率分別達(dá)到65%和80%.研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以作為重金屬離子的吸附劑，當(dāng)重金屬離子濃度低于100 mg·L-1時(shí)，去除率分別為：鋅86%~98%、鉛96%~99%、鎘51%~95%、銅60%~99%，且去除率隨pH值的增大而提高. ArvindK等(2014)研究了蔗渣粉煤灰對丙烯腈的去除能力，發(fā)現(xiàn)投加量為4 g·L-1、反應(yīng)時(shí)間為5 h時(shí)對丙烯腈(AN)的去除效果為78%，此時(shí)去除效果劉等研究了粉煤灰對城市景觀水體中磷的吸附性能，發(fā)現(xiàn)吸附反應(yīng)符合Langmuir方程，粉煤灰吸附容量為23.15 mg·g-1，對水體中溶解態(tài)磷(DP)的去除效果為88.30%.

　　但是粉煤灰處理污水過程中存在一些問題，首先，粉煤灰在形成過程中，部分氣體逸出形成開放性孔穴，表面呈蜂窩狀，具有吸附性能，而部分未溢出的氣體被裹在顆粒內(nèi)形成封閉性孔穴(Jin et al.，2012)，降低了粉煤灰的比表面積，限制了其吸附容量，致使應(yīng)用過程中投加量大，產(chǎn)泥量增加.其次，粉煤灰質(zhì)量輕、密度小(表觀密度為0.55~0.80 g·cm-3)，其處理后的廢水存在泥水分離困難的問題.此外，我國粉煤灰中鋁元素含量高而鐵元素含量低(一般為4%~10%)，其制備的混凝劑屬于鋁鹽混凝劑，具有絮體松散易碎、沉降速度慢的缺點(diǎn).

　　針對粉煤灰吸附容量小、投灰量大、泥水分離困難的問題，國內(nèi)外研究者嘗試采用物理或化學(xué)的方法對粉煤灰進(jìn)行改性，打開其顆粒內(nèi)的封閉性孔穴，提高孔隙率及比表面積，從而改善其吸附效能.劉等采用3種方法對粉煤灰改性，并用于處理印染廢水，結(jié)果表明鈣改性粉煤灰的色度和COD去除效果，絮體沉降速度zui快.采用PDMDAAC對粉煤灰進(jìn)行改性，結(jié)果表明，改性粉煤灰對有機(jī)分子的吸附能力和離子交換能力都得到了增強(qiáng)，對染料分子的去除能力比改性前提高了12.5%.分析了粉煤灰合成的沸石對廢水中氮和磷的去除性能，發(fā)現(xiàn)改性后其陽離子交換容量(206.3 cmol·kg-1)遠(yuǎn)高于原粉煤灰(2.2 cmol·kg-1)，磷和氨氮的去除率分別可達(dá)到60%~92%和40%~60%.基于此，本研究擬采用鹽酸對粉煤灰進(jìn)行改性，不但能打開封閉性孔穴，還能通過酸的作用使顆粒表面生成大量新的微細(xì)小孔，增加比表面積和孔隙率.

　　針對粉煤灰處理污水時(shí)絮體松散易碎、沉降速度慢的問題，本研究向粉煤灰中添加富含鋁鐵元素且價(jià)格低廉的鋁土礦以補(bǔ)充鐵元素，使得所制備的混凝劑能結(jié)合鐵鹽混凝劑的絮體密實(shí)、沉降速度快的優(yōu)勢，彌補(bǔ)鋁鹽混凝劑的缺點(diǎn).同時(shí)根據(jù)協(xié)同增效原理，兩種或兩種以上的組分相加或調(diào)配在一起，所產(chǎn)生的作用大于各種組分單獨(dú)應(yīng)用時(shí)作用的總和.因此，所制備的鋁鐵復(fù)合混凝劑能充分發(fā)揮兩種混凝劑各自的優(yōu)勢，提高混凝效果.

　　混凝是一個(gè)動態(tài)變化的過程，在混凝過程中的主導(dǎo)作用機(jī)理可能會發(fā)生演替.目前國內(nèi)外針對混凝機(jī)理的研究方法一般有X-射線衍射分析、紅外光譜分析、Zeta電位測定等，大都是針對某一方面的混凝機(jī)理進(jìn)行分析，單一的研究方法不能全面地闡述混凝的動態(tài)變化過程.因此，采用不同方法對混凝劑在不同混凝過程中的作用機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)闡述是十分必要的.

　　基于此，本研究以廉價(jià)易得的粉煤灰和鋁土礦為主要原料，采用鹽酸改性的方法制備出一種新型的無機(jī)鋁鐵復(fù)合混凝劑.重點(diǎn)研究了所制備的混凝劑對生活污水的除磷效能，并從形態(tài)學(xué)、分形維數(shù)特征、電荷特性等方面對其混凝機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析.本研究可為礦渣基水處理混凝劑的開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)參考.