新型污泥滤料吸附除磷性能及机理研究

摘要

城镇污泥的处理问题是目前环境领域的一大难题，城镇污泥中含有丰富的金属元素，这些元素在吸附材料的除磷过程中占有重要地位。这使得城镇污泥具有吸附除磷的潜能。本研究将城镇污泥经过简单的处理制成一种轻质的滤料，用于吸附处理含磷废水，为除磷吸附剂的研发提供了新的思路，同时也为污泥的资源化利用提供了新的途径。
　　本文首先将制备完成的污泥滤料进行理化性质的表征，通过电镜扫描、X射线衍射光谱和傅里叶红外光谱等方式进行分析，探究污泥滤料的物质组成及结构。其次，本文将污泥滤料进行静态吸附实验处理模拟含磷废水，进行污泥滤料吸附除磷的吸附性能研究。分别考察污泥滤料与含磷废水的固液比、含磷废水pH、吸附时间、污泥滤料粒径、含磷废水初始磷浓度、吸附温度和竞争离子等影响因素对滤料吸附除磷吸附性能的影响。考察了污泥滤料吸附除磷的等温吸附特征，并进行了等温吸附模型的模型拟合。考察了污泥滤料吸附除磷的吸附动力学过程，并进行了动力学模型的模型拟合。考察了污泥滤料吸附除磷的热力学特征，并进行了热力学状态函数的表征。另外，本文用污泥滤料制成吸附柱进行动态吸附除磷实验，并将测得的穿透曲线进行动态吸附的模型拟合，研究污泥滤料的动态吸附特征。最后，本文将吸附饱和的滤料中的磷进行分级提取，研究被吸附的磷在污泥滤料表面的存在形式，并进行污泥滤料吸附除磷的机理探讨。结果表明:
　　(1)污泥滤料表面多孔且凹凸不平，具有较好的晶体结构，其中主要为铝、钙等金属元素的氧化物结构与硅形成的硅酸盐结构，并且除铝、钙以外，锰、镁、铁等金属含量也都较为丰富。
　　(2)污泥滤料除磷的最佳投加量固液比为0.05，在弱酸性条件下更容易吸附，最佳pH范围为5-7，吸附平衡时间大约为24h，初始磷浓度对于滤料吸附有较大影响，浓度越大越有利于吸附，滤料粒径的减小能够明显地增大吸附量和吸附速率，温度升高同样有利于滤料的吸附。
　　(3) Freundlich模型拟合与Langmuir模型拟合都能得到较好的拟合结果，拟合结果显示，低浓度下污泥滤料对磷的吸附属于单层吸附，高浓度下，污泥滤料对磷的吸附为多层吸附。由分段拟合的结果计算得到的Langmuir理论饱和吸附量为15.43mg/g，与全范围Langmuir拟合得到的结果相比，更加接近实测的最大吸附量，实验中实际测得的最大吸附量为16.21mg/g。准二级动力学模型能够准确地描述污泥滤料吸附除磷的动力学过程，吸附过程呈现前期快速吸附后期缓慢平衡的特点。准二级动力学模型预测的平衡吸附量与实测值很小，均小于7％。通过热力学分析，污泥滤料吸附除磷是个自发、吸热的熵增反应，高低磷浓度的热力学特征区别更加明显，滤料吸附低浓度磷时，焓变与平均吸附能都较大，达到了化学吸附的范围，而吸附高浓度磷时的焓变与平均吸附能都较小，属于物理吸附的范畴。
　　(4)在进水浓度为10mg/L，流量为0.3L/h的条件下，以1mg/L的出水浓度作为穿透浓度，10 cm、20cm、30cm高吸附柱的穿透点分别为64h、96h、144h，耗竭点分别为624h、708h、804h。三个吸附柱高度下的吸附量分别为5.32mg/g、3.68 mg/g和3.04 mg/g，总去除率分别为42.6％、52.1％和56.2％，提高吸附柱的高度会提高总去除率，但是滤料的吸附量会下降。从模型拟合的结果来看，BDST模型和THOMAS模型都能够较好的拟合污泥滤料的穿透曲线，数据与模型的吻合程度均大于0.96，并且预测的耗竭吸附量和耗竭点都与理论值误差较小，均小于15％。BDST模型对污泥滤料吸附柱的耗竭点的预测较为准确，THOMAS模型能够更加准确地预测污泥滤料吸附柱的动态吸附容量。
　　(5)污泥滤料吸附的磷主要的形式为Al-P和Ca-P，占比分别达到52.5％和23.8％，Fe-P的形式结合的磷占比较少，为11.9％，铝铁钙三种金属对吸附的贡献率达到88.2％。因此污泥滤料吸附磷属于化学吸附，主要是铝和钙与磷反应进行吸附。污泥滤料吸附除磷机理为:具有铁、钙、铝等金属氧化物结构的污泥滤料表面在水中结合配位水，在固液表面生成大量羟基和水合基，形成羟基化界面，这些羟基和水合基与磷酸根发生配位交换反应，形成稳定的结构，将磷酸根吸附至污泥滤料表面，从而将磷去除。

目录

声明

摘要

1．1 水中磷污染概述

1．1．1 水体中的磷

1．1．2 水体富氧化

1．2 水中除磷方法现状

1．2．1 化学法

1．2．2 生物法

1．2．3 吸附法

1．3 城镇污泥与资源化利用

1．3．1 城镇污泥的来源及危害

1．3．2 城镇污泥资源化途径

1．3．3 城镇污泥用于吸附材料研究现状

1．4 研究内容、目的及意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究目的及意义

1．4．3 技术路线

2．1 实验材料与药品

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验药品

2．2 实验仪器与分析方法

2．2．1 实验仪器

2．2．2 分析方法

第三章 新型污泥滤料的制备及表征

3．1 新型污泥滤料的制备

3．2 新型污泥滤料的表征

3．2．1 电镜扫描(SEM)

3．2．2 原子吸收光谱(AAS)

3．2．3 傅里叶红外光谱(FTIR)

3．2．4 X射线衍射(XRD)

3．2．5 零电荷点(pHpzc)

第四章 新型污泥滤料吸附除磷的静态试验研究

4．1 吸附影响因素研究

4．1．1 固液比对污泥滤料吸附磷的影响

4．1．2 pH对污泥滤料吸附磷的影响

4．1．3 时间对污泥滤料吸附不同浓度磷吸附量的影响

4．1．4 时间对不同粒径污泥滤料吸附磷的影响

4．1．5 温度对污泥滤料吸附不同浓度磷吸附量的影响

4．1．6 竞争离子对污泥滤料吸附量的影响

4．2 等温吸附研究

4．2．1 实验方法

4．2．2 等温吸附模型

4．2．3 结果与讨论

4．3 吸附动力学研究

4．3．1 实验方法

4．3．2 吸附动力学模型

4．3．3 结果与讨论

4．4 吸附热力学研究

4．4．1 实验方法

4．4．2 吸附热力学参数

4．4．3 结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 新型污泥滤料吸附除磷的动态实验研究

5．1 实验装置与方法

5．2 动态实验模型

5．3 结果与讨论

5．3．1 滤料除磷动态吸附穿透曲线

5．3．2 滤料除磷动态吸附吸附容量和去除率

5．3．3 滤料除磷动态吸附模型分析

5．4 本章小结

第六章 新型污泥滤料吸附除磷的动态实验研究

6．1 吸附饱和磷形态分析

6．2 结果与讨论

6．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果