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，嚴重阻礙了經(jīng)濟社會的可持續(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，化學混凝法除磷具有處理效果好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，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，因此研制低成本率的除磷混凝劑具有很高的應(yīng)用價值.

　　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行深度處理，COD和色度的去除率分別達到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，當重金屬離子濃度低于100 mg·L-1時，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)時間為5 h時對丙烯腈(AN)的去除效果為78%，此時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.

　　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的方法對粉煤灰進行改性，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對粉煤灰進行改性，結(jié)果表明，改性粉煤灰對有機分子的吸附能力和離子交換能力都得到了增強，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)遠高于原粉煤灰(2.2 cmol·kg-1)，磷和氨氮的去除率分別可達到60%~92%和40%~60%.基于此，本研究擬采用鹽酸對粉煤灰進行改性，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小孔，增加比表面積和孔隙率.

　　針對粉煤灰處理污水時絮體松散易碎、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格低廉的鋁土礦以補充鐵元素，使得所制備的混凝劑能結(jié)合鐵鹽混凝劑的絮體密實、沉降速度快的優(yōu)勢，彌補鋁鹽混凝劑的缺點.同時根據(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應(yīng)用時作用的總和.因此，所制備的鋁鐵復合混凝劑能充分發(fā)揮兩種混凝劑各自的優(yōu)勢，提高混凝效果.

　　混凝是一個動態(tài)變化的過程，在混凝過程中的主導作用機理可能會發(fā)生演替.目前國內(nèi)外針對混凝機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理進行分析，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理進行系統(tǒng)闡述是十分必要的.

　　基于此，本研究以廉價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鋁鐵復合混凝劑.重點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、分形維數(shù)特征、電荷特性等方面對其混凝機理進行了系統(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.