给水处理厂铁铝泥对正磷酸盐的吸附效果 4页

第6卷第9期Vo1．6．No．92012年9月Sep．2012给水处理厂铁铝泥对正磷酸盐的吸附效果王天晓蒋雅真陈慧婷王昌辉裴元生(北京师范大学环境学院水沙科学教育部重点实验室，北京100875)摘要通过批量实验和柱状实验并结合磷的分级提取探究了给水处理厂废弃铁铝泥(ferric—alumwatertreatmentre—Csiduals，FARs)吸附正磷酸盐的效果。批量实验结果表明，Langmuir和Freundlich方程均能较好地描述FARs对磷的等温吸附过程，且当pH从5增至9时，FARs磷的饱和吸附量从41．68mg／g减小到17．08mg／g。pH越低，磷与FARs的结合能力e越强。T●柱状实验结果表明，FARs具有显著的磷吸附能力，在运行的89d里，磷的去除率保持在80％以上。出水pH与进水相比略有增加，但增加量不会对地表水体造成影响。磷的分级提取结果进一步说明，被吸附的磷主要以释磷风险小的铁铝环a一结合态存在。综合实验结果表明，FARs可以作为高效磷吸附剂应用于地表水除磷。境关f键词给水处理厂铁铝泥正磷酸盐吸附pH磷的分级提取工中图分类号X703文献标识码A文章编号1673—9108(2012)09—2991—04程Ⅱ～Effectivenessofferric．alumwatertreatmentresiduals学朗inremoving0rth0ph0sphate报gWangTianxiaoJiangYazhenChenHuitingWangChanghuiPeiYuansheng(KeyLaboratoryofWaterandSedimentSciences，SchoolofEnvironment，BeijingNormalUniversity，Beijing100875，China)嘲gAbstractEfectivenessof0rthophosphateadsorptionbyferric—alumwatertreatmentresiduals(FARs)werestudiedusingbatchtestandcolumntest．FractionationoftheabsorbedPfromtheFARswasalsoconductedafterthecolumntest．TheresultsofbatchtestshowedthattheadsorptionprocesscanbedescribedbybothLangmuirandFreundlichisotherms．WiththesolutionpHincreasingfrom5to9，thephosphorussaturatedadsorptionca-pacityofFARsdecreasedfrom41．68mg／gto17．08mg／g．ThephosphorusbindingcapacityofFARswasstron-gerwithlowerpH．Theresultsofthecolumntestshowedanefectivephosphorusadsorptionthroughoutthe89doperation．TheoutflowpHwasslightlyhigherthanthatoftheinflowbutitcouldnotaffectsurface—waterquality．Duringtheoperation，theadsorptioneficiencykeptabove80％．FractionationoftheabsorbedPindicatedthatadsorbedphosphorusexistedmainlyinFe—boundandA1一boundforms，whoseriskofphosphorusreleaseislow．FARscanbeaneficientphosphorusadsorbentforsurfacewater．Keywordsferric—alumwatertreatmentresiduals；orthophosphate；adsorption；pH；phosphorusfractiona—tion在给水处理过程中，以铁盐或铝盐作为絮凝剂因素中，pH对废弃铝泥的磷吸附效果影响最大。但去除水体中杂质时产生废弃污泥，因其对磷具有较国内研究大多探讨磷的静态吸附特征，对于动态吸强的吸附能力而成为国内外的研究热点。国外研究附效果则鲜有研究。此外，对吸附前后磷在废泥中表明，尽管吸附时间、pH、粒径和磷的形态对废弃污的存在形态也缺乏认识。因此，本研究以给水处理泥的磷吸附有影响，但大部分废弃污泥对磷的厂废弃铁铝泥(ferric—alumwatertreatmentresiduals，饱和吸附量在2．18～54．25mg／g范围内’，同FARs)为载体，通过批量平衡实验、柱状实验和磷的时，作为磷吸附介质，针对给水处理厂废弃污泥的应分级提取考察FARs对正磷酸盐的吸附效果。用研究也已展开，其中，在土地利用和构建湿基金项目：国家自然科学基金资助项目(50979007)地方面最为典型。收稿日期：2011—05—16；修订日期：2011—06—08近年来，国内也开展了相关研究。胡静等的作者简介：王天晓(1990一)女，本科生，主要从事水污染控制和环境多静态吸附实验表明，脱水铝系污泥的磷饱和吸附量孔材料方面的研究工作。E-mail：wangtianxiao89@126con为11．1mg／g。帖靖玺等研究表明，在众多影响通讯联系人，E-mail：yspei@bnu．edu．an\n2992环境工程学报第6卷1．4磷的分级提取1材料与方法动态吸附实验后，取出柱状样中的FARs置于1．1实验材料105cc烘箱烘干，研磨混匀后备用。分级提取的方法FARs取自北京市第九水厂。样品采集后，风干采用适于污泥的SMT法，分别提取吸附前后给并研磨过80目筛备用。经酸消解后由ICP(ICP—水处理厂废弃污泥中的无机磷、有机磷、铁铝结合态AES，ULTIMA，JY，France)测得其铁和铝的含量分磷、钙结合态磷和总磷。别高达91．21mg／g和48．39mg／g，具有铁铝复合特2结果与讨论征。1．2批量实验2．1等温吸附特征取0．5gFARs与25mL同浓度系列的磷溶液不同溶液pH下，Langmuir吸附等温线拟合参(15．5、62、310、775、1550、3100和4650mg／L，离数如表1所示。子强度0．01mol／LKC1)在50mL离心管中}昆合，且表1Langmuir及Freundlich吸附等温线拟合结果pH值分别控制为5、7和9。加入2～3滴三氯甲烷Table1FittingresultsofLangmuirand(细菌抑制剂)后置于摇床中振荡(180r／rain，室温)Freundlichisotherms48h。振荡完成后溶液过0．45m的微孔滤膜，采用钼锑抗分光光度法测定滤液中的残磷浓度。实验数据分别用Langmuir(1)和Freundlich(2)吸附等温线模型进行拟合，等温线方程如下：麟C⋯A一e一1+KCX=KC：(2)式中：为平衡吸附量(mg／g)；X为Langmuir理论饱和吸附量(mg／g)；C为吸附平衡时溶液浓度(mg／L)；K、K和n均为常数，其中，K为与结合从表1中可见Langmuir和Freundlich等温线模能力有关的常数，值反映基质吸附能力，n值一型拟合的回归系数均较高(>95％)，说明2种曲线般在0～1之间，反映基质的吸附强度。均能较好地描述FARs对磷的吸附等温过程。从1．3柱状实验Freundlich等温线模型拟合结果可知，3个pH条件柱状实验装置如图1所示。有机玻璃吸附柱的内径5cm，高度25cm，柱底部填有8ca石英砂垫下的n值均在0～0．5之间，表明FARs对正磷酸盐层，之后放入100gFARs。吸附柱运行过程中保持的吸附容易发生。并且随着pH的升高，K逐渐减FARs被充分浸没，进水磷浓度约为50mg／L，水力小。由于K值的高低反映吸附能力的大小，因此，停留时间为4h，持续运行89d。每隔2d测定随着pH的升高，FARs对磷的吸附能力逐渐降低，一次进出水的磷浓度及pH值，实验过程中用ICP这正与Langmuir等温线计算的磷饱和吸附量的测定出水铁、铝元素的含量。变化趋势一致，当pH值由5增至9时，由41．68mg／g减小到17．08mg／g。磷酸盐与给水处理厂铝泥表面羟基的配位交换作用是其吸附磷的主要机制，并且高pH因不利于磷酸根与铁铝氢氧化物表面的氢氧根的交换作用而降低磷吸附效果。另外，已有大量研究表明，氧化铝胶体及氧化铁表面负电荷数均与溶液pH值有很大相关性，pH降低时，胶体表面负电荷减少。FARs由含铁及含铝的絮凝剂絮凝而产生，其中含有大量的铁及铝的氧化物和氢氧化物，\n第9期王天晓等：给水处理厂铁铝泥对正磷酸盐的吸附效果2993因此，pH增大对FARs吸附正磷酸盐的削弱作用由表2可知，与空白对照相比，吸附后的铁铝泥主要原因可能有：(1)FARs中含铁及含铝化合物中，总磷增加了7．59mg／g，铁铝结合态磷增加了在配位吸附过程中，氢氧根和磷酸根离子发生了5．87mg，钙结合态磷增加了1．39mg／g，有机磷增竞争吸附。(2)FARs中胶体表面负电荷的增加阻加了0．60mg／g，无机磷增加了6．79mg／g。其中，碍吸附。总磷增加量与无机磷和有机磷增加量之和的差异以2．2动态吸附特征及无机磷增加量与铁、铝结合态磷和钙结合态磷增FARs的动态吸附效率及进出水pH值随运行加量之和的差异可能与实验误差有关。当然，无机天数变化如图2所示。磷中除铁、铝和钙以外的少量其他结合态磷也对各成分的差异有一定影响。总磷中无机磷含量远大于有机磷，说明磷的动态吸附实验过程中生物作用较弱。同时通过比较可发现，无机磷中铁铝结合态磷含量要高于钙结合态解磷，说明被吸附的磷主要以铁铝结合态存在。Sus．篮毽chka等研究表明，Fe(Ⅱ)及Fe(Ⅲ)的硫酸盐及氯化盐在pH值为7～8时有良好的除磷效果。袁东海等通过对几种人工湿地基质除磷性能的研究中得出，影响基质吸附磷能力的主要因素是胶体运行时间(d)氧化铁含量。Danen-Louwerse等通过对湖泊沉图2动态实验吸附效率及进出水pH值积物中磷的提取得出沉积物中铁、铝的氧化物及氢Fig．2AdsorptionefficiencyandpH氧化物是影响其对磷吸附的重要成分。可见含铁铝duringcolumntest化合物的强吸附能力是柱状实验中FARs在89d内除磷效率保持高且稳定的重要原因。钙结合态磷与由图2可知，在运行的89d里，FARs对磷的吸空白对照相比也有所增加，说明FARs对磷的吸附附效率始终大于80％～90％，且出水的pH略高于作用也包括钙与磷的结合作用。进水pH，稳定在7．5～8．5之间，出水pH的增加是Rydin等得出经过明矾处理后形成的铝结合由吸附过程中磷酸根与羟基的配位交换作用释放出态磷性质稳定，在地表水环境中可将非固定态的磷氢氧根导致的。根据国家地表水环境质量标准，地转化为永久结合态磷。同时，尽管有研究表明在厌表水pH标准限值为6～919J，因此，FARs适用于地氧状态下，铁与磷的结合能力会变弱，但是大部表水除磷。实验中进水磷溶液的浓度为50mg／L，分铁结合态磷仍然稳定存在于各种环境中。因高于地表水体实际含磷量，可推测在实际环境体系此，被FARs吸附的磷释放风险较弱，可作为一种高中FARs应有更高的除磷效率和稳定性。此外，运效磷吸附剂。行过程中出水的铁铝浓度很低(数据未列出)，表明3结论FARs在运行过程中不会因铁铝流失而影响磷的吸附量。(1)不同pH条件下，FARs对正磷酸盐的等温2．3FARs中磷的结合态吸附实验表明，Langmuir模型和Freundlich模型均分级提取柱状实验吸附前后FARs中不同形态能较好地描述实验结果，且当pH从5增至9时，的磷，所得结果如表2所示。FARs磷的饱和吸附量从41．68mg／g减小到17．08mg／g。高pH环境不利于磷的吸附作用的原因可能表2吸附前后铁铝泥中不同形态磷的提取量Table2Contentsofdiferentfbrmsofphosphorus与氢氧根的竞争吸附作用以及FARs胶体表面的负extractedbeforeandafteradsorption(mg／g)电荷增加有关。(2)柱状动态磷吸附实验运行的89d中，FARs对磷的去除率稳定在80％以上，且出水pH保持在地表水pH标准限值内。(3)对柱状实验后的FARs进行不同形态磷的\n2994环境工程学报第6卷分级提取，结果表明吸附后的磷主要以低释磷风险2445—2457[13]MedeirosJ．J．G．，CidB．P．，GomezE．F．Analytical的铁铝结合态磷形式存在。因此，FARs可作为高效phosphorusfraetionationinsewagesludgeandsediment安全的磷吸附剂应用于实际环境中。samples．Ana1．Bioana1．Chem．，2005，381(4)：873—878参考文献[14]YangY．，ZhaoY．Q．，BabatundeA．O．，eta1．Charac—teristicsandmechanismsofphosphateadsorptionondewa—[1]ippoitoJ．A．，BarbarickG．A．，HeilD．M．，eta1．teredalumsludge．Sep．Purif．Techno1．，2006，51(2)：Phosphorusretentionmechanismsofawatertreatmentre—193．200sidua1．J．Environ．Qua1．，2003，32(5)：1857—1864[15]LijklemaL．Interactionoforthophosphatewithiron(m)[2]DaytonE．A．，BastaN．T．Amethodfordeterminingtheandalumlnumhydroxides．Environ．Sci．Techno1．，phosphorussorptioncapacityandamorphousaluminiumof1980，14(5)：537—541aluminium-baseddrinkingwatertreatmentresiduals．J．[16]韩云婷，王拯，方晓航，等．改性给水污泥对高磷酸盐Environ．Qua1．，2005，34(3)：1112—1118废水的吸附研究．环境工程学报，2011，5(4)：772—776[3]RazaliM．，ZhaoY．Q．，BruenM．EffectivenessofaHanY．T．，WangZ．，FangX．H．，eta1．Studyondrinking-·watertreatmentsludgeinremovingdiferentphos--modifiedwatersupplysludgeonadsorptionofhighphos-phorusspeciesfromaqueoussolution．Sep．Sci．Techno1．，phatecontaminatedwastewater．ChineseJournalofEnvi—2007，55(3)：300—306ronmentalEngineering，2011，5(4)：772—776(inChi—[4]BabatundeA．O．，ZhaoY．Q．Equilibriumandkinetica—nese)nalysisofphosphorusadsorptionfromaqueoussolutionu—[17]SinghB．P．，MenchavezR．，TakaiC．，eta1．Stabilitysingwastealumsludge．J．Hazard．Mater．，2010，184(1—ofdispersionsofcolloidalaluminaparticlesinaqueous3)：746—752suspensions．J．ColloidInterfaceSci．，2005，291(1)：[5]IppoitoJ．A．Phosphorusadsorption／desorptionofwater181—186treatmentresidualsandbiosolidsco—applicationefects．[18]ZengL．，LiX．M．，LiuJ．D．AdsorptiveremovalofPh．D．diss．ColoradoStateUniv．，ForCollins．，2001phosphatefromaqueoussolutionsusingironoxidetail-[6]BabatundeA．O．，ZhaoY．Q．，BurkeA．M．，eta1．ings．WaterRes．，2004，38(5)：1318-1326Characterizationofaluminum．basedwatertreatmentresidu—[19]GB3838—2002，地表水环境质量标准alforpotentialphosphorusremovalinengineeredwetlands．GB3838—2002，EnvironmentalqualitystandardforsurfaceEnviron．Pollut．，2009，157(10)：2830—2836water(inChinese)[7]HausteinG．K．，DanielT．C．，MillerD．M．，eta1．Alu．[2O]SuschkaJ．，MachnickaA．，PoplawskiS．Phosphatesre—minum-containingresidualsinfluencehigh·-phosphorussoilseoveryfromironphosphatessludge．Environ．Techno1．，andrunofwaterquality．J．Environ．Qua1．，2000，292001，22(7)：1295·1301(6)：1954—1959[21]袁东海，景丽洁，高士祥，等．几种人工湿地基质净化[8]DaytonE．A．，BastaN．T．Characterizationofdrinking磷素污染性能分析．环境科学，2005，26(1)：51—55watertreatmentresidualsforuseasasoilsubstitute．WaterYuanD．M．，JingL．J．，GaoS．X．，eta1．AnalysisonEnviron．Res．，2001，73(1)：52—57theremovaleficiencyofphosphorusinsomesubstrates[9]ZhaoY．Q．，BabatundeA．0．，ZhaoX．H．，eta1．Devel—usedinconstructedwetlandsystems．EnvironmentalSci—opmentofalumsludge—basedconstructedwetland：Aninno—ence，2005，26(1)：51—55(inChinese)vativeandcostefectivesystemforwastewatertreatment．J．[22]Danen—LouwerseH．，LijklemaL．，CoenraatsM．IronEnviron．Sci．Health．，PartA，2009，44(8)：827—832contentofsedimentandphosphateadsorptionproperties．[10]胡静，董仁杰，吴树彪，等．脱水铝污泥对水溶液中磷Hydrobiologia，1993，253(1—3)：31l一317的吸附作用研究．水处理技术，2010，36(5)：4245[23]RydinE．，HuserB．，WelchE．B．Amountofphosphor—HuJ．，DongR．J．，WuS．B．，eta1．Adsorptionphos—usinactivatedbyalumtreatmentsinWashingtonlakes．phorusinaqueoussolutionbydewateredalumsludge．Limno1．Oceanogr．，2000，45(1)：226—230TechnologyofWaterTreatment，2010，36(5)：42_45(in[24]高丽，杨浩，周健民．环境条件变化对滇池沉积物磷Chinese)释放的影响．土壤，2005，37(2)：216—219[11]帖靖玺，赵莉，张仙娥．净水厂污泥的磷吸附特性研GaoL．，YangH．，ZhouJ．M．Phosphorusreleasefrom究．环境科学与技术，2009，32(6)：149—164sedimentsinDjanchiI．akel】nderdiferentenvironmenta】TieJ．X．，ZhaoL．，ZhangX．E．Phosphorusadsorptionconditions．Soils，2005，37(2)：216—219(inChinese)characteristicsofwaterworkssludge．EnvironmentalSci-[25]PengJ．F．，WangB．Z．，SongY．H．AdsorptionandenceandTechnology，2009，32(6)：149—164(inChinese)releaseofphosphorusinthesurfacesedimentofa[12]SeoD．C．，ChoJ．S．，LeeH．J．Phosphorusretentionwastewaterstabilizationpond．Eco1．Eng．，2007，31capacityoffiltermediaforestimatingthelongevityofcon—(2)：92—97struetedwetland．WaterRes．，2005，39(11)：