麥飯石及其改性處理微污染水動態(tài)實驗研究

狄軍貞，安文博，戴男男，朱志濤，江富，任亞東，趙前程

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

麥飯石及其改性處理微污染水動態(tài)實驗研究

狄軍貞，安文博，戴男男，朱志濤，江富，任亞東，趙前程

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

針對微污染水氨氮濃度高、有機物難降解等問題，進行了麥飯石及其改性處理微污染水的動態(tài)實驗研究，探討了不同改性方法處理的麥飯石對微污染水濁度、氨氮和COD的去除效果。結(jié)果表明，經(jīng)Na2SO4改性的麥飯石對微污染水的處理效果較好，濁度、氨氮和COD的平均去除率分別為96.57%、67.25%、74.79%，出水濁度、氨氮和pH均可達到飲用水標(biāo)準，出水COD可達到集中式生活飲用水的Ⅱ類標(biāo)準。

麥飯石；改性；微污染水；動態(tài)實驗

近年來隨著工業(yè)的發(fā)展、城市化進程的加速以及農(nóng)用化學(xué)品種類和數(shù)量的增加，許多水源已經(jīng)受到不同程度的污染，部分水質(zhì)指標(biāo)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水體標(biāo)準的要求〔1〕。目前，常規(guī)凈水工藝不能有效地去除微污染水源水中的有機物以及氨氮等污染物，無法滿足人們對飲用水安全性的要求〔2〕。麥飯石作為一種新興的材料主要優(yōu)勢在于：（1）麥飯石為多孔介質(zhì)材料，可有效地去除水中污染物，尤其是氨氮；（2）麥飯石可釋放有益身體健康的營養(yǎng)元素，調(diào)節(jié)出水pH；（3）麥飯石廉價、易得，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定〔3-5〕。選擇麥飯石作為吸附材料對混凝處理后的微污染水進行再處理，不僅可實現(xiàn)污染物的去除，還可以提供生物體所需的營養(yǎng)元素，是值得開發(fā)利用的新型處理材料。本研究以麥飯石、熱改性麥飯石以及鹽改性麥飯石作為吸附材料，通過動態(tài)實驗探討了不同改性方法處理的麥飯石對微污染水源水濁度、氨氮和COD的去除效果，以期為麥飯石作為活性材料處理微污染水源水的工程應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用麥飯石取自遼寧阜新。實驗前將麥飯石粉碎至0.2～0.5mm，用蒸餾水沖洗2～3次，以洗去表面懸浮物，然后于105℃烘箱中烘干。

熱改性麥飯石：稱取上述經(jīng)預(yù)處理的麥飯石100 g置于坩堝中，然后放入箱式馬弗爐中在300℃條件下煅燒1 h，自然冷卻后裝袋備用。

Na2SO4改性麥飯石：稱取100 g上述經(jīng)預(yù)處理的麥飯石置于500mL錐形瓶中，加入250mL 0.5 mol/L的Na2SO4溶液并將錐形瓶封口。置于搖床中，于100 r/min下振蕩2 h，取出，用蒸餾水沖洗干凈，然后于烘箱中烘干，備用。

1.2 實驗裝置及方法

實驗共設(shè)置3個內(nèi)徑55mm、高度350mm的有機玻璃柱，動態(tài)柱由下至上依次放置紗布（防止吸附材料堵塞出水口）、20mm的石英砂（保護層）、250mm的吸附材料、20mm的石英砂（保護層）。吸附材料：1#柱為未改性麥飯石，2#柱為熱改性麥飯石，3#柱為Na2SO4改性麥飯石。動態(tài)柱采用連續(xù)運行的方式，上端進水下端出水，流速選擇2秒加入1滴，即2.4 L/d，通過蠕動泵和流量計控制。動態(tài)實驗裝置見圖1。

圖1 動態(tài)實驗運行裝置

1.3 實驗用水水質(zhì)及檢測方法

實驗用水取自阜新某公園水。實驗期間，該河水pH為6.60～6.79，濁度為4.8～9.6 NTU，氨氮為1.01～1.94mg/L，CDO為33～58mg/L。根據(jù)該公園水的水質(zhì)特性，將混凝處理后的出水作為動態(tài)柱的進水，此時，水的pH為6.73，濁度為2.76NTU，氨氮為1.25mg/L，COD為29.85mg/L。

檢測方法：pH采用玻璃電極法進行測定；濁度采用濁度計法進行測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法進行測定；COD采用快速消解分光光度法進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH的變化規(guī)律

出水pH的變化如圖2所示。

由圖2可知，1#、2#、3#動態(tài)柱出水平均pH分別為6.66、6.66、6.70，其中3#動態(tài)柱對pH的調(diào)節(jié)能力比較強。鈉鹽改性后的麥飯石具有較大的空隙結(jié)構(gòu)，而麥飯石對溶液pH的調(diào)節(jié)能力主要取決于其空隙結(jié)構(gòu)〔5〕，空隙結(jié)構(gòu)大利于Al元素從硅酸鹽礦物中析出，使得其pH調(diào)節(jié)能力比較強。

圖2 出水pH的變化

2.2 對濁度的去除效果

對濁度的去除效果如圖3所示。

圖3 對濁度的去除效果

由圖3可知，1#、2#、3#動態(tài)柱對濁度的平均去除率分別為94.96%、95.63%、96.57%。各動態(tài)柱對水中濁度的去除主要是填料對絮凝體的機械截留和吸附作用，去除效果主要取決于濾料所具有的表面積〔6〕。實驗結(jié)果表明，3#動態(tài)柱對濁度的去除效果優(yōu)于1#、2#動態(tài)柱，這主要是因為鹽改性麥飯石的孔體積和平均孔半徑比未改性麥飯石及熱改性麥飯石均增加，比表面積比熱改性麥飯石增加了0.2 m2/g〔7-8〕。2#動態(tài)柱對濁度的去除效果優(yōu)于1#動態(tài)柱，其原因是麥飯石經(jīng)熱改性后表面孔結(jié)構(gòu)較未改性麥飯石增大，斷裂的邊緣呈鋸齒形，孔口全部張開，改性后孔口可增大20 nm〔9〕，孔徑增加，比表面積增加，對溶液中絮凝體的截留和吸附作用增強，因此，去除率較高。

2.3 對氨氮的去除效果

對氨氮的去除效果如圖4所示。

圖4 對氨氮的去除效果

由圖4可知，1#、2#、3#動態(tài)柱對氨氮的平均去除率分別為57.86%、60.35%、67.25%，3#動態(tài)柱對氨氮的去除效果最佳。鈉鹽改性麥飯石去除氨氮的主要形式是離子交換，麥飯石經(jīng)鈉鹽改性后孔道中的Ca2+、Mg2+被溶液中的Na+置換，而SO42-體積比較大，不會占據(jù)麥飯石的孔道〔10〕，由此鈉鹽改性麥飯石在孔道增加的基礎(chǔ)上離子的交換能力也相應(yīng)提高，對氨氮的去除效果得以提升。盡管麥飯石經(jīng)過熱處理后表面開裂，孔道分布更均勻，晶粒數(shù)量增加，表面積增大，吸附能力提高〔11〕，但熱改性只對物理吸附有幫助，因此其對氨氮的去除效果不及鹽改性麥飯石。1#動態(tài)柱對氨氮的去除效果最差是因為隨著反應(yīng)的進行，吸附材料基質(zhì)達到飽和，導(dǎo)致氨氮去除率下降。

2.4 對COD的去除效果

對COD的去除效果如圖5所示。

圖5 對COD的去除效果

由圖5可知，1#、2#、3#動態(tài)柱對COD的平均去除率分別為63.50%、65.99%、74.79%。各動態(tài)柱對水中COD的去除主要是吸附材料的吸附或截留等物理過程以及吸附材料表面微生物的同化吸收〔12〕。實驗結(jié)果表明，2#、3#動態(tài)柱對COD的去除效果比1#動態(tài)柱要好，這主要是因為熱改性和鹽改性可通過清除麥飯石孔道內(nèi)結(jié)晶水和置換孔道內(nèi)離子的方法，增加孔道粒徑，進而增加了麥飯石的表面積，因此，改性麥飯石對COD的去除效果要優(yōu)于未改性麥飯石。另外，由于鹽改性方法對麥飯石孔道空隙的提高效果要優(yōu)于熱改性，使3#動態(tài)柱對COD的去除效果優(yōu)于2#動態(tài)柱。

3 結(jié)論與建議

（1）選擇未改性麥飯石、熱改性麥飯石和Na2SO4改性麥飯石對經(jīng)混凝處理的微污染水進行處理，濁度去除率可達到90%以上，氨氮去除率達到30%以上，COD去除率達到40%以上，出水pH可穩(wěn)定維持在6.6～6.9。

（2）經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，Na2SO4改性麥飯石對微污染水的處理效果較好，濁度、氨氮和COD的平均去除率分別為96.57%、67.25%、74.79%，出水濁度、氨氮和pH均可達到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準》（GB 5749—2006）的要求，COD可達到《生活飲用水集中式供水單位衛(wèi)生規(guī)范》Ⅱ類標(biāo)準。

（3）實驗結(jié)果表明，Na2SO4改性麥飯石對微污染水的處理效果很好。因此應(yīng)進一步研究Na2SO4濃度、改性時間、改性溫度等因素對Na2SO4改性麥飯石處理微污染水效果的影響，確定最優(yōu)改性條件，使其對微污染水的處理效果達到最佳。

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Dynam ic experimentalstudy on the treatmentofm icro-polluted waterbymedicalstone and itsmodification

Di Junzhen，AnWenbo，DaiNannan，Zhu Zhitao，Jiang Fu，Ren Yadong，Zhao Qiancheng
（CollegeofArchitecture Engineering，Liaoning TechnicalUniversity，F(xiàn)uxin 123000，China）

Aimingat the problems thatmicro-pollutedwater is characterized by high concentration ofammonianitrogen，difficult degradation of organic substances，etc.，dynamic experimentalstudy on the treatmentofmicro-polluted waterbymedicalstone and itsmodification have been conducted.The removingeffectson turbidity，ammonia-nitrogen and COD ofmicro-polluted water by differentmodificationmethods treatedmedicalstone are discussed.The results show that the removing effectof themedical stonemodified by Na2SO4onmicro-polluted water is better.The average removing ratesof turbidity，ammonia-nitrogen and COD are 96.57%，67.25%and 74.79%，respectively.The turbidity，ammonia-nitrogen and pH of the effluent could reach the drinking water standard，and the COD of the effluentcould reach the2nd-levelstandard ofcentralized domestic drinkingwater.

medicalstone；modification；micro-polluted water；dynamic experiment

X703

A

1005-829X（2016）06-0025-04

狄軍貞（1979—），博士，副教授。電話：13941889524，E-mail：dijunzhen@126.com。

2016-03-17（修改稿）

國家自然科學(xué)基金資助項目（41102157，51304114）；污染控制與資源化研究國家重點實驗室開放課題（PCRRF12015）；遼寧省自然科學(xué)基金資助項目（2015020619）