改性鋼渣的制備及其吸附除磷性能

鄭懷禮　葛亞玲　壽倩影　趙純　翟俊　張正安　姜嘉賢

摘要：研究了改性鋼渣吸附除磷影響因素、等溫吸附線特征和吸附動力學(xué)，并對生物處理后的出水進(jìn)行吸附除磷研究。結(jié)果表明：在初始磷濃度10mg/L，投加量10g/L、pH為7時，改性鋼渣吸附后總磷濃度為0.687mg/L，去除率達(dá)93%；改性鋼渣對磷的吸附符合Langmuir模型，理論飽和吸附量是1.977mg/g，吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型（R²>0.99）；實際生活污水的吸附除磷中，投加量為50g/L，反應(yīng)2h后出水總磷濃度達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級B標(biāo)的排放要求。

關(guān)鍵詞：污水處理；除磷；吸附；改性鋼渣

中圖分類號：TQ424.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2016）06-0129-06

磷不同于碳、氮，在自然界的循環(huán)是不可再生的，因此，如何從廢水中去除并回收磷資源是目前研究的重要課題。目前，除磷方法主要有化學(xué)沉淀法、生物法、吸附法等?；瘜W(xué)除磷不管是在除磷量還是除磷效果方面，都有很顯著的優(yōu)勢，但實際應(yīng)用中存在藥劑投加量大、污泥難處理等不足；生物法除磷穩(wěn)定性差且處理效果差，難以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。吸附除磷是通過具有大比表面積、多孔隙的物質(zhì)對水中PO34-的親和力實現(xiàn)除磷過程，具有工藝簡單、處理成本低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點。既可以作為生物除磷后的強(qiáng)化處理，也可以作為單獨除磷方法。另外，通過解吸作用將吸附后的磷進(jìn)行回收，實現(xiàn)資源的重復(fù)利用。

吸附除磷的關(guān)鍵是找到一種吸附容量高、速度快、價格低廉的吸附劑。目前采用較多的吸附劑有：沸石、粉煤灰、鋼渣、硅藻土等，其中鋼渣是鋼鐵工業(yè)中的副產(chǎn)物，含有Ca、Fe、Al、si等金屬氧化物，其特點是密度大、孔隙多、固液分離速度快、來源廣泛且廉價。開發(fā)鋼渣在廢水治理中的應(yīng)用是一種經(jīng)濟(jì)且有效的方法，對廢水除磷有重要的意義。

1材料與方法

1.1材料與儀器

鋼渣：來源于重慶鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，80目篩分后用蒸餾水清洗干凈烘干備用。

儀器：TUl901紫外一可見分光光度計、pHs-3C型精密酸度計、手提式不銹鋼高壓滅菌鍋、OTF-1200X開啟式真空管式爐、XMTD-8222水浴恒溫振蕩器、HDL-4臺式電動離心機(jī)、XRF-1800型X射線熒光光譜儀。

試劑：磷酸二氫鉀、濃硫酸、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、鹽酸、氫氧化鈉、均為分析純。

含磷實驗用水：用KH₂PO₄（分析純）配置50mg/L的貯備液備用。

生活污水：采用經(jīng)生物濾池一生物接觸氧化處理后的出水。

1.2實驗方法

1.2.1鋼渣改性用3mol/LNaOH溶液浸泡烘干后的鋼渣24h，再于開啟式真空管式爐中700℃下煅燒1h。改性后鋼渣的主要化學(xué)成分經(jīng)XRF分析，結(jié)果見表1。

1.2.2除磷實驗

稱取一定量的改性鋼渣于250mL具塞錐形瓶中，并加入含磷廢水100mL，調(diào)節(jié)pH，在恒溫?fù)u床中以150r/min的速度振蕩一定時問后，在3500r/min下離心5min，取上清液。

1.2.3總磷含量測定用《鉬酸銨分光光度法》（GBll893-89）測水中總磷含量。吸取上清液適量于50 mL具塞比色管中，加入過硫酸鉀稀釋至25mL刻度線，于手提式不銹鋼高壓滅菌鍋中120℃下消解30min；冷卻至室溫后依次加入抗壞血酸和鉬酸鹽，用紫外分光光度計測定吸光度值，根據(jù)標(biāo)線算出水中總磷含量。

2.結(jié)果與討論

2.1.1初始磷濃度對吸附的影響初始含磷質(zhì)量濃度為：5、10、15、20和25mg/L時，分別加1g改性鋼渣，調(diào)節(jié)pH=7，于恒溫?fù)u床中振蕩吸附30min，改性鋼渣對磷的去除效果見圖1。

圖1表明，隨著初始磷質(zhì)量濃度的增加，鋼渣對磷的吸附量越來越大。主要是由于初始磷質(zhì)量濃度越高，可供鋼渣吸附的磷越多；同時，含磷廢水本身和鋼渣外表面液膜之問的濃度差越大，磷向鋼渣表面遷移的動力就越大。因此，增大磷質(zhì)量濃度有利于提高鋼渣的吸附作用。但鋼渣對磷的去除率卻呈先增后減的趨勢，這主要是由于隨著初始磷質(zhì)量濃度的增加，鋼渣吸附量增大，逐漸達(dá)到飽和，對磷的吸附效果減弱。因此，可以認(rèn)為，1g改性鋼渣的最大吸附能力為100mL質(zhì)量濃度為15mg/L的含磷廢水。

2.1.2鋼渣投加量對吸附的影響初始磷質(zhì)量濃度為10mg/L時，分別取改性鋼渣投加量為0.2、0.6、1.0、1.4和1.8g，調(diào)節(jié)pH=7，于恒溫?fù)u床中振蕩吸附30min，對磷的去除效果見圖2。

圖2表明，隨著鋼渣投加量的增大，磷的吸附量逐漸降低，去除率卻逐漸增大。主要是由于吸附時間較短，吸附未達(dá)到飽和，所以去除率增大。隨著投加量繼續(xù)增大，殘余磷含量不斷減少，吸附過程逐漸達(dá)到平衡，吸附量和去除率也趨于穩(wěn)定。綜上，在吸附時間為30min時，選擇較佳的改性鋼渣投加量為1g/100mL。

2.1.3初始pH對吸附的影響初始磷質(zhì)量濃度為10mg/L，投加量1g，改變初始pH為：4、5.5、7、8.5和10，吸附30min后對磷的去除效果見圖3。

金屬離子和廢水中PO34-結(jié)合，形成相應(yīng)的磷酸鹽沉淀物。但Ca、Mg、Fe等氧化物在低pH時溶解度很大，難以吸附在鋼渣表面，亦難以發(fā)生離子交換，不利于鋼渣除磷；隨著pH增至堿性條件下，OH-濃度增加，式（3）反應(yīng)向左進(jìn)行，不利于磷酸鹽沉淀物生成。因此，在pH=5.5～7.5范圍內(nèi)，離子交換和化學(xué)沉淀共同作用的效果最好，磷去除效果最佳。這與Xiong等的研究結(jié)果一致。

2.2吸附等溫線

改變KH₂PO₄初始磷質(zhì)量濃度為1、5、10、15、20、30、40、50、60mg/L，各投加80目改性鋼渣1g，