粉煤灰陶粒对废水中磷酸盐的吸附试验研究

书书书第３１卷第７期２０１１年７月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３１，Ｎｏ．７Ｊｕｌ．，２０１１基金项目：国际科技合作项目（Ｎｏ．２００９ＤＦＡ９１８０）；国家水专项（Ｎｏ．２００８ＺＸ０７２１１０４）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＣｏｏｐｅｒａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎｏ．２００９ＤＦＡ９１８０）ａｎｄｔｈｅＳｐｅｃｉａｌＳ＆ＴＰｒｏｊｅｃｔｏｎＴｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＷａｔｅｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎ（Ｎｏ．２００８ＺＸ０７２１１０４）作者简介：蒋丽（１９８８—），女，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＪＩＡＮＧＬｉ（１９８８—），ｆｅｍａｌｅ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]蒋丽，谌建宇，李小明，等．２０１１．粉煤灰陶粒对废水中磷酸盐的吸附试验研究［Ｊ］．环境科学学报，３１（７）：１４１３１４２０ＪｉａｎｇＬ，ＣｈｅｎＪＹ，ＬｉＸＭ，ｅｔａｌ．２０１１．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙｆｌｙａｓｈｃｅｒａｍｓｉｔｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３１（７）：１４１３１４２０粉煤灰陶粒对废水中磷酸盐的吸附试验研究蒋丽１，２，谌建宇３，，李小明１，２，４，罗隽３，杨麒１，２，王宇１，２１．湖南大学环境科学与工程学院，长沙４１００８２２．环境生物与控制教育部重点实验室（湖南大学），长沙４１００８２３．环境保护部华南环境科学研究所，广州５１０６５５４．广西大学环境学院，南宁５３０００４收稿日期：２０１００９１９　　　修回日期：２０１０１０２１　　　录用日期：２０１０１１０８摘要：以粉煤灰为主要原料制成粉煤灰陶粒，研究其对废水中磷酸盐的去除情况．同时，考察了影响粉煤灰陶粒吸附磷酸盐的主要因素及平衡吸附量，并对其进行吸附等温模型拟合分析．结果表明，粉煤灰陶粒对磷酸盐的去除率随粉煤灰陶粒投加量的增大而增加，较高的磷酸盐初始浓度可以加快磷酸盐的吸附．在较宽ｐＨ（４～１０）范围内，均能呈现较好的磷酸盐去除效果，且当ｐＨ为自然值（约为６．０）时，吸附效果最佳．粉煤灰陶粒对磷酸盐的吸附是一个缓慢的吸附过程，１２ｈ内可达到吸附平衡，该吸附过程符合伪二级动力学方程．粉煤灰陶粒对磷酸盐的吸附符合Ｌａｎｇｍｕｉｒ等温模型．随着温度的升高，粉煤灰陶粒的最大吸附饱和量（Ｑｍａｘ）逐渐减小，温度为１５、２５、３５℃时，粉煤灰陶粒的最大吸附饱和量分别为０．７９０３、０７４２６、０．６１１１ｍｇ·ｇ－１．粉煤灰陶粒吸附磷酸盐后在一定条件下可以重新解吸出来，且随着解吸液（ＮａＯＨ）浓度的增加解吸率增大．关键词：粉煤灰；陶粒；废水；磷酸盐；吸附文章编号：０２５３２４６８（２０１１）０７１４１３０８　　　中图分类号：Ｘ７０３．１　　　文献标识码：ＡＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙｆｌｙａｓｈｃｅｒａｍｓｉｔｅＪＩＡＮＧＬｉ１，２，ＣＨＥＮＪｉａｎｙｕ３，，ＬＩＸｉａｏｍｉｎｇ１，２，４，ＬＵＯＪｕｎ３，ＹＡＮＧＱｉ１，２，ＷＡＮＧＹｕ１，２１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＢｉｏｌｏｇｙａｎｄＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ（ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２３．ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＭＥＰ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５５４．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１０；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２１Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１０；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ８Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１０Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｅｗｃｅｒａｍｓｉｔｅｓｍａｄｅｆｒｏｍｃｏａｌｆｌｙａｓｈ，ａｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔｏｆｃｌａｙａｎｄｏｔｈｅｒａｄｍｉｘｔｕｒｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｎｄｕｓｅｄｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｎｕｔｒｉｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ（ｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｅｍｏｖａｌ）．Ｗｅｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｅｍｏｖａｌ，ｔｈｅｐｈｏｓｐｈａｔｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｉｏｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｄｏｓａｇｅｏｆｃｅｒａｍｓｉｔｅｓ，ａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｒａｔｅｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｆａｓｔｆｏｒｈｉｇｈｅｒｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅ．ＷｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｐＨｆｒｏｍ４ｔｏ１０，ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅａｒｅｇｏｏｄａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｐＨｆｏｒａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓ６．０．Ｐｈｏｓｐｈａｔｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｌｏｗｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｒｅａｃｈｅｓｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｓｔａｔｕｓｉｎ１２ｈｏｕｒｓ．Ｔｈｅｐｓｅｕｄｏｓｅｃｏｎｄｏｒｄｅｒｋｉｎｅｔｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅＬａｎｇｍｕｉｒｉｓｏｔｈｅｒｍｍｏｄｅｌｆｉｔｔｈｅｄａｔａｗｅｌｌ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄａｔ１５℃，２５℃ａｎｄ３５℃，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｉｅｓｏｆｆｌｙａｓｈｃｅｒａｍｓｉｔｅｓｗｅｒｅ０．７９０３ｍｇ·ｇ－１，０．７４２６ｍｇ·ｇ－１，０．６１１１ｍｇ·ｇ－１ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｐｈｏｓｐｈａｔｅａｄｓｏｒｂｅｄｂｙｆｌｙａｓｈｃｅｒａｍｓｉｔｅｓｃｏｕｌｄｂｅｄｅｓｏｒｂｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｏｕｌｄｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｉｐｐｉｎｇｌｉｑｕｉｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｙａｓｈ；ｃｅｒａｍｓｉｔｅ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｐｈｏｓｐｈａｔｅ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）磷是富营养化水体中藻类生长繁殖的重要元素，疯长的藻类死亡后成为细菌的营养，大量繁殖的细菌会释放毒素并耗尽水体中的氧，从而引起鱼类病变死亡，最终会严重威胁生物体的生存与人类健康．目前，国内外采用的除磷方法主要包括化学法、生物法和吸附法．常规生化污水处理及强化生环　　境　　科　　学　　学　　报３１卷物除磷工艺很难保证出水中的磷达到排放标准（ＧＢ１８９１８—２００２一级Ａ），往往需要物化除磷（丁文明等，２００３），但此方法存在化学药剂费用高、化学污泥难以处置等问题．为此，研究人员一直在寻求经济有效的除磷方法，其中，吸附法被认为是一种能够较好地适用于宽浓度废水除磷的方法（王宇等，２００８；朱润亮等，２００６），该方法主要是将吸附剂与废水混合，或让废水通过由颗粒状物质组成的滤床，使废水中的污染物质吸附在多孔物质的表面或被过滤．而应用吸附法处理废水的关键在于寻找吸附容量大、吸附速度快、原料经济易得的吸附剂（Ｕｒａｎｏ，１９９１）．粉煤灰作为热电厂燃煤锅炉排放的固体废物，年排放量达１亿多吨，除了部分用于建筑、交通、土壤改良等方面外，还有相当多的粉煤灰采用就地堆积的方法处理，极易造成环境污染（相会强等，２００５）．粉煤灰中含有大量Ｓｉ、Ａｌ的活性点，且比表面积大，具有较强的吸附能力．因此，可利用粉煤灰作为主要原料，通过添加粘土和外加剂的方法在高温下烧结成粉煤灰陶粒．与传统的粘土陶粒和页岩陶粒相比，粉煤灰陶粒不仅原料低廉易得，而且对污水中污染物质具有较好的去除效果．如Ｚｈａｏ（２００９!等研究了污泥粉煤灰陶粒（ｓｌｕｄｇｅｆｌｙａｓｈｃｅｒａｍｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ＳＦＣＰ）和粘土陶粒（ｃｌａｙｃｅｒａｍｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ＣＣＰ）用作曝气生物滤池中填料处理市政污水的效果，结果发现，在水力停留时间分别为１５、０．７５和０．３７ｈ的情况下，ＳＦＣＰ对ＣＯＤ和ＮＨ＋４Ｎ的去除效果都要比ＣＣＰ高１０％左右；薛金风等（２００６）用２％无机造孔添加剂、５０％粉煤灰和４８％粘土烧制得到了一种强度高、比表面积大（１５９１ｍ２·ｇ－１）的滤料，该滤料可用于吸附氟离子，去除率达８０％；王萍等（２００８）将粉煤灰、粘土、煤粉按照６∶３∶１的比例（质量比）混合均匀，在１３００℃下烧结成粉煤灰陶粒并用于曝气生物滤池，发现其具有良好的微生物适应性，对ＣＯＤＣｒ的平均去除率在８５％以上，对ＮＨ＋４Ｎ的平均去除率在６５％以上．目前，关于粉煤灰陶粒应用于污水处理系统的研究已不少，但针对粉煤灰陶粒用于生态治污工程、曝气生物滤池等强化废水中磷酸盐吸附作用特性的研究相对较少．因此，本文重点研究粉煤灰陶粒对人工模拟含磷废水中磷酸盐的去除特性，探索溶液中磷酸盐初始浓度、粉煤灰陶粒投加量、ｐＨ及温度对吸附效果的影响．同时，通过吸附平衡实验进行吸附等温线拟合分析，确定单位质量粉煤灰陶粒对磷酸盐的最大吸附饱和量，并对相关作用机理进行阐述．旨在开发出一种具有较高粉煤灰配比、吸附容量大、成本低的粉煤灰陶粒，达到废物资源化利用的目的．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　实验材料试剂：ＫＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＮａＯＨ、ＨＣｌ等均为分析纯．仪器：小型球磨机，ＹＣＭ５搅拌机，ＤＺ２０Ｃ小型造粒机，ＰＨＧ９１４５Ａ鼓风干燥箱，ＫＬＳ０５／１３马弗炉，３００１８便携式ＰＨ计，ＨＺ０３ＭＺＲ台式恒温振荡箱，Ｒ５０００紫外分光光度计，Ｈ３０００Ｎ扫描电子显微镜．２．２　粉煤灰陶粒的制备将粉煤灰（取自广州南海江南电厂，主要成分见表１）、膨润土、生石灰放入烘箱内，１０５℃下干燥２ｈ，取出后分别研磨过２００目筛．以粉煤灰为主要原料（５０％，质量分数），辅以３５％的膨润土，并添加１０％生石灰和５％水玻璃混合均匀，再加入一定量的水搅拌成均匀流质状（固水质量比为３∶１），放入小型造粒机中成型成球，粒径约为３～５ｍｍ．将成型的陶粒于自然状态下风干６ｈ后，放入马弗炉中在４００℃下预热２５ｍｉｎ，在烧结温度１１５０℃条件下烧结４５ｍｉｎ，待炉膛自然冷却后得到粉煤灰陶粒．表１　粉煤灰和粘土的主要成分分析Ｔａｂｌｅ１　Ｍａｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｌｙａｓｈａｎｄｃｌａｙ原料ＳｉＯ２Ａｌ２Ｏ３Ｆｅ２Ｏ３ＣａＯＭｇＯ烧失量粉煤灰４６．５１％３４．６１％５．０８％３．７２％０．９６％５．３７％粘土５８．４３％１１．２６％１．０６％１．７８％１．５０％２．３　实验方法２．３．１　磷酸盐静态吸附解吸实验方法　准确称取０．２１９７ｇＫＨ２ＰＯ４，用蒸馏水配成浓度为５０ｍｇ·Ｌ－１的磷酸盐储备液１Ｌ（以Ｐ计），其它浓度的溶液直４１４１７期蒋丽等：粉煤灰陶粒对废水中磷酸盐的吸附试验研究接用储备液稀释即可．在２５０ｍＬ的锥形瓶中加入１００ｍＬ磷酸盐溶液，用ＮａＯＨ和ＨＣｌ调节溶液ｐＨ．准确称取２．０ｇ粉煤灰陶