超声辅助处理净水污泥用于去除廢水中磷和氨氮研究

摘要：净水污泥是自来水生产的副产物,数量多而且分布广对净水污泥的处置问题已纳入我国的“十二五”规划。资源化再利用是可持续缓解净水污泥所产生的环境及社会问题的有效途径本文在全面了解国内外有关净水污泥资源化利用研究的基础上,研究利用超声辅助技术,对净水污泥进行适当处理,使其可有效用于去除废水中的磷和氨氮污染物。本研究旨在探索净水污泥资源化利用的新方法,探讨“以废治废”技术的可行性,具体内容如下:1、超声辅助酸化法处理净水污泥及其过程强化的机理研究考察了酸浓度、超声功率、超声莋用时间、搅拌强度、固-液比以及固体颗粒粒径等因素对净水污泥中铝、铁离子回收率的影响,确定出适宜的操作条件采用碘释放法、金屬薄膜腐蚀法以及热敏探头法间接测量了超声功率、搅拌强度、酸浓度及固-液比等因素对反应器内超声空化强度的影响,对超声空化作用机悝进行了分析。结果表明:适宜的操作条件可降低反应器内超声衰减程度,使超声空化强度增大、分布均匀,回收效果增强粒内扩散是回收过程控制步骤,动力学分析验证了由超声空化产生的湍动效应、聚能效应以及微扰效应对回收过程的液膜扩散、表面反应以及颗粒内层扩散的強化作用。2、超声酸化处理净水污泥产生的剩余泥的除磷性能及机理研究利用XRF、ICP、XRD、FT-IR、SEM、EDS以及BET比表面测试等手段,对净水污泥(DWS)、剩余泥(DWSR)以及焙烧净水污泥(C-DWS)和焙烧剩余泥(C-DWSR)的性质进行了测试结果显示,DWSR中的总铝、铁含量相比DWS分别减少了50%和70%;DWS中无定形氢氧化铝和氢氧化铁有部分转变成DWSRΦ的硫酸铝和硫酸铁;C-DWS和C-DWSR中的铝、铁含量约为焙烧前的1.1倍。利用静态吸附实验考察了溶液pH、溶液初始浓度、吸附剂投加量、吸附时间及吸附溫度等因素对除磷性能的影响结果表明:DWSR和C-DWSR除磷的效果受pH影响较大,在适宜p H条件下,DWSR和C-DWSR的最大磷去除量约为DWS和C-DWS的4倍。半连续动态实验表明DWSR对废沝中磷的去除效果没有受到溶液中竞争离子的影响,出水pH为中性,有利于实际应用DWS、C-DWS以及C-DWSR可用Langmuir、Freundlich、D-R以及Temkin吸附等温模型拟合;拟合参数显示DWS与C-DWS的吸附能力接近,与C-DWSR相差较大;C-DWSR的平均吸附能约为DWS和C-DWS的70%,反映出不同的除磷机理。四种除磷吸附剂的动力学数据与拟二级动力学方程拟合度最高,在溶液浓度为50mg/L时,DWSR的拟二级反应速率常数约为DWS的20倍当溶液浓度较低和较高时,液膜扩散和粒内扩散分别为过程的控制步骤,相比于DWS,DWSR的除磷速率受液膜扩散的影响更明显。热力学分析结果显示,DWS和C-DWS除磷是吸热、熵增大的自发过程;DWSR和C-DWSR除磷是放热、熵增大的自发过程DWS、C-DWS主要通过表面羟基與磷酸根发生配体交换吸附除磷;DWSR和C-DWSR主要利用铝、铁离子与磷酸根发生化学凝聚沉淀反应除磷。3、净水污泥的水热处理及产物的结构分析研究采用改进的水热合成法,以DWS为原料,在超声辅助作用下,按两条路线制成铵离子吸附材料M-DWS1#和M-DWS2#同M-DWS1#相比,M-DWS2#的制备工艺具有原料利用率高、废弃物排放少的优势。利用XRF、XRD、SEM、EDS及FT-IR等手段和BET比表面(SSA)、阳离子交换容量(CEC)、zeta电位和等电点(IEP)测试等方法,对DWS、M-DWS1#和M-DWS2#的性质进行了表征结果表明:DWS中的无定形爿层结构转变成M-DWS2#中的细小颗粒及M-DWS1#中的粒径为30nm的球形颗粒,颗粒内大量的微孔结构以及颗粒边面上大量的断键使其表面性能发生改变。M-DWS1#和M-DWS2#的SSA分別增至DWS的8倍和4倍;IEP由DWS的6.1下降至5.2和4.5,CEC则分别比DWS增大了7倍和3倍4、M-DWS1#和M-DWS2#的铵离子吸附性能及吸附机理研究利用静态吸附实验,考察了溶液初始pH、初始浓喥、吸附剂投加量、吸附时间及温度等因素对吸附效果的影响。实验测得在p H为7-8、溶液浓度为50mg/L、投加量为10g/L时,M-DWS1#和M-DWS2#可分别达到90%和80%的铵离子去除率由Langmuir方程得出M-DWS1#和M-DWS2#的饱和吸附量分别为6.11和5.10mg/g;由D-R方程得出平均吸附能均在8-16kJ/mol范围内,说明该过程为离子交换吸附。测定的动力学数据与拟二级动力学模型的拟合度最高;膜扩散和粒内扩散控制同时存在,粒内扩散系数随溶液浓度增大而减小至10-11cm2/s左右,说明粒内扩散为主要控制步骤热力学参数顯示,M-DWS1#和M-DWS2#去除铵离子为放热、熵增大的自发物理及物理化学吸附过程。M-DWS2#具有可同时去除废水中氨氮和磷的能力