磷是地球上生物體不可缺少的主要元素之一，存在正磷酸鹽、偏磷酸鹽、有機(jī)磷等多種形式。一般認(rèn)為，磷元素是植物生長(zhǎng)的限制因素。水體中含磷量過高會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化問題。然而，由于外界向環(huán)境大量排放超標(biāo)含磷污水，使得世界范圍內(nèi)(包括我國(guó))水體富營(yíng)養(yǎng)化污染非常嚴(yán)重、普遍。磷有著不同于氮、硫的性質(zhì)，無論它的氧化態(tài)還是還原態(tài)都不可能成為氣態(tài)而被排放到空氣中。因此，各種除磷方法，其原理都是通過把污水中的磷轉(zhuǎn)化為固體物(或原固體物的一部分)而將磷除去。目前，常用含磷污水處理技術(shù)有：(1)化學(xué)除磷法是采用最早、使用最廣泛的一種除磷方法?；瘜W(xué)除磷的基本原理是通過投加化學(xué)藥劑形成不溶性磷酸鹽沉淀物，然后通過固液分離從污水中去除。(2)吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面積的固體物質(zhì)對(duì)水中磷酸根離子的親和力來實(shí)現(xiàn)的廢水除磷過程。磷通過在吸附劑表面的物理吸附、離子交換或表面沉淀過程，實(shí)現(xiàn)磷從廢水中的分離，并可進(jìn)一步通過解吸處理回收磷資源。(3)生物法除磷技術(shù)是基于聚磷菌在厭氧條件下釋放磷及在好氧條件下攝取磷的原理，通過好氧-厭氧的交替運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)除磷的方法口切。由于吸附法具有處理效果好、工藝簡(jiǎn)單、操作方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在含磷污水的凈化處理中備受關(guān)注。礦物材料具有孔隙多、比表面積大和極性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特殊的膠體性能和晶體結(jié)構(gòu)又使其具備良好的離子交換性能和表面吸附性能。正是因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)異的性能，礦物材料逐漸成為高效吸附材料開發(fā)的熱點(diǎn)，本文主要研究礦物材料及給水處理設(shè)備沉降泥渣的吸附除磷性能，以期篩選可應(yīng)用于處理含磷污水的粘土礦物吸附材料提供科學(xué)依據(jù)。
一、實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要試驗(yàn)材料及儀器
泥渣(電廠澄清池排泥脫水、干燥，基本組成：Al2O318.6%、Fe2O39.9%、SiO242.5%、CaO6.3%、MgO1.7%、燒失量19.3%);粉煤灰(取自火電廠，基本組成：AI2O324.4%、Fe2O35.5%、SiO258.5%、CaO5.0%，MgO1.6%、燒失量3.8%)、高嶺土(市售，基本組成：AI2O337.9%、Fe2O30.65%、CaO0.03%、MgO0.09%、SiO244.6%、燒失量16.9%);模擬水樣采用KH2PO4(分析純)配制，先配1000mg/L的貯備液，使用時(shí)以除鹽水稀釋至所需濃度。原水水樣為某城市污水處理廠二級(jí)出水，水質(zhì)情況為：總磷酸鹽(以PO4 3-計(jì))7.4mg/L、CODcr70mg/L、SS46mg/L。
主要使用的儀器有回轉(zhuǎn)式恒溫調(diào)速搖瓶柜(上海欣蕊自動(dòng)化設(shè)備有限公司)、可見分光光度計(jì)(WFJ7200尤尼科(上海)儀器有限公司)。
水中磷的測(cè)定采用鈕銖抗分光光度法。
1.2 吸附速度試驗(yàn)
準(zhǔn)確稱取30mg泥渣等吸附材料于6個(gè)250mL錐形瓶，在錐形瓶中加入100mL含磷模擬水樣。將錐形瓶放到震蕩器中，在200r/min的速度下，分別震蕩2、5、10、20、40、60min。取出后立刻用慢速濾紙進(jìn)行過濾，然后測(cè)定濾液中磷含量。
1.3 吸附除磷性能試驗(yàn)
準(zhǔn)確稱取10、20、30、50、100mg泥渣等吸附材料于6個(gè)250mL錐形瓶，分別在6個(gè)錐形瓶中加入100mL試驗(yàn)水樣。將錐形瓶放到震蕩器中，在200r/min的速度下震蕩60min。取出后立刻用慢速濾紙進(jìn)行過濾，然后測(cè)定濾液中磷含量(Ce)。將測(cè)得的平衡濃度Ce代入式(1)計(jì)算得吸附容量qe：
二、結(jié)果與討論
2.1 吸附材料對(duì)磷吸附速度
吸附材料對(duì)水中磷的吸附速度試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。
從圖1和圖2中可看出，三種吸附材料隨著吸附過程的開始就能大量吸附溶液中的磷，這樣的吸附行為應(yīng)該是由于這幾種吸附材料都含有大量的金屬氧化物、且有較大比表面積，加速了磷的相轉(zhuǎn)移過程。泥渣、粉煤灰和高嶺土對(duì)磷的吸附都能快速完成。泥渣在較短時(shí)間內(nèi)(5min)已完成了對(duì)磷大量的吸附而趨向吸附平衡，粉煤灰和高嶺土對(duì)磷的吸附需要20min趨向吸附平衡，吸附平衡時(shí)剩余磷的濃度都降到了0.5mg/L以下。在模擬水樣和實(shí)際水樣中，都是泥渣對(duì)水中磷的吸附速度明顯快于粉煤灰和高嶺土。這類吸附材料能在較短的時(shí)間內(nèi)趨向吸附平衡，有利于提高水中磷的吸附去除效率。
2.2 吸附材料對(duì)磷的吸附性能
吸附材料對(duì)水中磷的吸附等溫線試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。
從圖3和圖4中可看出，在模擬水樣和實(shí)際水樣中，泥渣對(duì)水中磷的吸附性能(吸附容量)都明顯高于粉煤灰和高嶺土。粉煤灰和高嶺土對(duì)實(shí)際水樣中磷的吸附性能(吸附容量)要明顯差于對(duì)模擬水樣中磷的吸附性能(吸附容量)，而泥渣對(duì)水中磷的吸附性能(吸附容量)在模擬水樣和實(shí)際水樣中沒有明顯的差異，這應(yīng)該是與吸附材料的結(jié)構(gòu)和組成成分上的差異有關(guān)。
磷吸附去除材料是通過吸附固定和化學(xué)沉淀反應(yīng)來達(dá)到有效地去除磷的目的。研究表明：(1)適合PO4 3-吸附的金屬氧化物，金屬氧化物的表面是重要的PO4 3-離子的吸附位，其吸附通常是與金屬氧化物表面形成絡(luò)合物或形成化學(xué)鍵而實(shí)現(xiàn)的；(2)含鐵、鈣物質(zhì)，其作用是提供鐵、鈣源及磷酸鐵、磷酸鈣沉淀的活性表面。當(dāng)鐵、鈣含量高的材料加入反應(yīng)混合物時(shí)，磷的吸附容量有所提高。
高嶺土礦物材料，是二八面體1：1型層狀硅酸鹽礦物，它以極微小的微晶或隱晶狀態(tài)存在，并且以致密塊狀或土狀集合體出現(xiàn)，晶體屬三斜晶系的層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，成分較簡(jiǎn)單，只有少量Fe、Ca、Mg等代替八面體中的Al，Al的含量較高。它具有較大的比表面積、吸附容量和良好的吸附性能。粉煤灰是一種多孔性松散固體集合物，其單體是由Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SiO2和一些微量元素組成的海綿狀和空心球狀的細(xì)小顆粒，粉煤灰的多孔結(jié)構(gòu)使它具有較大的比表面積和較好的吸附能力。從粉煤灰的理化性能來看，粉煤灰處理污水主要是通過吸附作用。影響粘土礦物材料磷理論飽和吸附量的主要因素是鈣、鎂含量和膠體氧化鐵及氧化鋁的含量，粘土材料和粘土吸附磷的過程中物理吸附的同時(shí)，化學(xué)吸附作用影響較大。
泥渣、粉煤灰和高嶺土三種吸附材料的結(jié)構(gòu)和組成成分相似，都有較大的吸附表面積，都主要由鋁、鐵、鈣、鎂和硅的氧化物組成，只是高嶺土中鐵、鈣、鎂氧化物含量最低，其吸附除磷主要依靠物理吸附，化學(xué)吸附作用小一些。而泥渣中鐵、鈣、鎂氧化物含量最多，因此，泥渣對(duì)水中磷的吸附不僅有物理吸附，還有較多的化學(xué)吸附存在，而且，電廠澄清池中添加有鐵鹽混凝劑，使沉降泥渣中含鐵化合物更多些，與磷(磷酸根)反應(yīng)生成更多溶解度較小的磷酸鐵類物質(zhì)，從而進(jìn)一步提高了泥渣對(duì)水中磷的吸附能力。
2.3 吸附材料對(duì)磷的去除效果
吸附材料對(duì)水中磷的吸附去除效果如圖5和圖6所示。
從圖5和圖6中可看出，模擬水樣中，較大的吸附材料投加量都能獲得高的磷去除率可達(dá)到99.1%，0.2g/L的泥渣和粉煤灰投加量，磷的去除率就可達(dá)到98%，低劑量時(shí)，高嶺土對(duì)磷的去除率明顯小一些。實(shí)際水樣中，同樣是較大的吸附材料投加量都能獲得高的磷去除率可達(dá)到99.0%，0.2g/L的泥渣投加量，磷的去除率就可達(dá)到98.1%，而低劑量時(shí)，0.2g/L的粉煤灰和高嶺土投加量，磷的去除率僅達(dá)到77.2%o泥渣與粉煤灰和高嶺土對(duì)實(shí)際水樣中磷去除率的差異要明顯大于模擬水樣。這就說明了，泥渣對(duì)實(shí)際水樣中磷有著較好的去除效果。
三、結(jié)論
(1)粉煤灰和高嶺土能在20min后趨向吸附平衡，完成對(duì)磷的吸附，含有鐵化合物的沉降泥渣對(duì)水中磷的吸附速度明顯快于其它礦物材料(粉煤灰和高嶺土)，5min即可完成對(duì)磷的大量吸附而趨向吸附平衡。
(2)含較多鐵化合物的沉降泥渣對(duì)水中磷的吸附能力好于其它礦物材料(粉煤灰和高嶺土)，較低劑量處理實(shí)際水樣時(shí)，0.2g/L的泥渣投加量，磷的去除率就高達(dá)98.1%，而0.2g/L的粉煤灰和高嶺土投加量，磷的去除率僅達(dá)到77.2%。( >
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