聚硅酸硫酸鋁絮凝劑去除生活污水中磷的研究

胡文云，楊春林

(武漢輕工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北 武漢 430023)

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聚硅酸硫酸鋁絮凝劑去除生活污水中磷的研究

胡文云，楊春林

(武漢輕工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北 武漢 430023)

摘要：以硅酸鈉(NaSiO3·9H2O)，硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O)和硫酸為原料合成了聚硅酸硫酸鋁(PASS)絮凝劑，對(duì)PASS通過(guò)紅外光譜和X射線衍射分析進(jìn)行表征。考察了PASS對(duì)生活污水中磷去除的性能，具體的影響因素有：絮凝劑投加量，絮凝過(guò)程水力條件，污水的pH值和溫度等。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素的最佳取值分別為：投加量為10.0 g/L，污水的pH值為5，污水的加熱電壓為40 V,絮凝過(guò)程的混合轉(zhuǎn)速為150 r/min，混合時(shí)間為2 min，絮凝過(guò)程的反應(yīng)轉(zhuǎn)速為100 r/min，反應(yīng)時(shí)間為20 min，絮凝過(guò)程的沉降時(shí)間為50 min。在單因素影響研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明PASS絮凝劑對(duì)生活污水中磷去除的性能的最佳組合條件為：投加量為15.0 g/L，pH值為5，混合時(shí)間為1min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速為100 r/min；各因素的影響順序?yàn)椋簆H值 >投加量 >混合時(shí)間 >反應(yīng)轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞：聚硅酸硫酸鋁；絮凝劑；含磷生活污水；除磷

1引言

磷被認(rèn)為是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生的主要控制因子,其主要來(lái)源于人類生產(chǎn)和生活，對(duì)含磷生活污水進(jìn)行必要的處理，降低水體中磷的濃度，防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生或加劇，無(wú)疑是十分必要的?，F(xiàn)有的除磷方法中,化學(xué)絮凝法是應(yīng)用較普遍且處理效果最穩(wěn)定的方法。聚硅鋁類絮凝劑，是一類新型的無(wú)機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑，其絮凝性能優(yōu)于單獨(dú)的聚合鋁和聚硅酸，已成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1-12]。本研究用聚硅鋁類絮凝劑去除生活污水中的磷，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)試劑與主要設(shè)備

硅酸鈉( 天津大茂化學(xué)試劑廠)，硫酸鋁(天津東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠)，硫酸(信陽(yáng)淮河化學(xué)試劑有限責(zé)任公司)，氫氧化鈉(天津福祿化工試劑廠)，磷酸二氫鉀(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，過(guò)硫酸鉀(天津科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心)，抗壞血酸(湖南湘大化工試劑有限公司)，酒石酸銻鉀(天津凱通化學(xué)試劑有限公司)，鉬酸銨(天津市化學(xué)試劑研究所)，所用試劑均為分析純。

TA6系列程控混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀(武漢恒嶺科技有限公司)；7200型分光光度計(jì)(尤尼柯儀器公司)；DRB200數(shù)字式消解器(美國(guó)哈希公司)；BDX3200型X射線衍射儀(北大青鳥儀器設(shè)備公司)；330FT-IR型紅外光譜儀(美國(guó)熱電尼高烈儀器公司)。

2.2PASS的制備

稱取14.20 g的NaSiO3·9H2O于500 mL燒杯中，然后加入105.8 mL去離子水，攪拌使固體完全溶解，此時(shí)換算得SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，用20%的硫酸調(diào)節(jié)pH值至5.0—5.5，室溫下攪拌聚合10—12 min，加入16.65 g的Al2(SO4)3·18H2O(使nAl∶nSi= 1∶1)，攪拌使其溶解，然后放置陳化1—2 h，可得無(wú)色透明聚硅酸硫酸鋁溶液，最后置于冰箱中待用。

2.3實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用生活污水取自武漢科技大學(xué)黃家湖校區(qū)內(nèi)生活污水處理廠。

3結(jié)果與討論

3.1PASS的表征

3.1.1紅外光譜實(shí)驗(yàn)

將干燥后的PASS固體，用KBr壓片后，進(jìn)行紅外光譜實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖1所示.

圖1　聚合硅硫酸鋁紅外光譜圖

3.1.2X射線衍射實(shí)驗(yàn)

將干燥后的PASS固體研磨到60目以下，對(duì)樣品進(jìn)行X衍射分析測(cè)試。結(jié)果如圖2所示。

圖2　聚合硅硫酸鋁X射線衍射圖

由圖2可知，在2θ為18°，28°和32°左右，圖中出現(xiàn)了尖銳的衍射峰，與文獻(xiàn)[13]中聚合硫酸鋁的X射線衍射圖相似，說(shuō)明制備的聚硅酸硫酸鋁與聚合硫酸鋁結(jié)構(gòu)相似，為含多羥基的無(wú)機(jī)高分子聚合物。圖中的衍射峰數(shù)量較聚合硫酸鋁的明顯減少，這可能是由于硅的存在，加劇了硅酸鈉、鋁酸鈉以及硫酸鋁之間的反應(yīng)，產(chǎn)物向無(wú)定形方向發(fā)展，形成了更為復(fù)雜的聚合物結(jié)構(gòu)。

3.2單因素對(duì)除磷效果的影響

3.2.1絮凝劑投加量對(duì)磷去除效果的影響

在室溫，混合轉(zhuǎn)速150 r/min，混合時(shí)間2 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速80 r/min，反應(yīng)時(shí)間20 min，沉降時(shí)間30 min的條件下，考察了絮凝劑投加量對(duì)磷去除效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3　絮凝劑的投加量對(duì)除磷效果的影響

圖3表明，隨著絮凝劑投加量的增加，對(duì)生活污水中磷的去除率增大，當(dāng)絮凝劑投加量為10.0 g/L時(shí)，磷的去除率達(dá)90.6%，顯示最好的去除效果。隨著絮凝劑用量的繼續(xù)增加，除磷率反而逐漸減小。這是因?yàn)樯钗鬯械牧状蟛糠质侨芙鈶B(tài)的無(wú)機(jī)磷，主要來(lái)源于洗滌劑的正磷酸鹽和稠環(huán)磷酸鹽，只有小部分是以溶解和非溶解狀態(tài)存在的有機(jī)磷。

3.2.2pH值對(duì)除磷效果的影響

在室溫，混合轉(zhuǎn)速為150 r/min，混合時(shí)間為2min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速為80 r/min，反應(yīng)時(shí)間為20 min，，投加量為10.0 g/L，沉降時(shí)間為30 min的條件下，考察了pH值對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4　污水的pH值對(duì)除磷效果的影響

由圖4可知, pH值對(duì)除磷效果影響顯著，在pH <5時(shí)，隨pH值的升高磷的去除率增大。當(dāng)pH值為5時(shí)，達(dá)到最佳的去除效果，隨pH值的繼續(xù)升高，磷的去除率反而下降。

3.2.3電壓對(duì)磷去除效果的影響

在混合轉(zhuǎn)速150 r/min，混合時(shí)間2 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速60 r/min，反應(yīng)時(shí)間20 min，投加量10.0 g/L，pH值為5，沉降時(shí)間30 min的條件下，考察了加熱電壓對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5　加熱電壓對(duì)除磷效果的影響

圖5表明，隨著加熱電壓的升高，水溫升高，PASS對(duì)磷的去除率也隨之升高，在電壓值為40 V左右時(shí)，磷的去除率達(dá)到最大值為80.2%，達(dá)到最佳絮凝效果。之后再繼續(xù)升高溫度，磷的去除率反而下降。

3.2.4混合轉(zhuǎn)速對(duì)磷去除效果的影響

在室溫，混合時(shí)間2 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速80 r/min，反應(yīng)時(shí)間20 min，投加量10.0 g/L，pH值為5，沉降時(shí)間30 min的條件下，考察了混合轉(zhuǎn)速對(duì)除磷效果的影響，如圖6所示。

圖6　混合轉(zhuǎn)速對(duì)除磷效果的影響

從圖6可見，隨著混合轉(zhuǎn)速的增大，污水中磷的去除率呈顯著上升趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，磷的去除率最高，達(dá)88.3%，此時(shí)表現(xiàn)出最佳絮凝效果。隨著混合轉(zhuǎn)速持續(xù)增大，磷的去除率卻出現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。

3.2.5混合時(shí)間對(duì)磷去除效果的影響

在室溫，混合轉(zhuǎn)速150 r/min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速80 r/min，反應(yīng)時(shí)間20 min，，投加量10.0 g/L，pH值為5，沉降時(shí)間30 min的條件下，考察了混合時(shí)間對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7　混合時(shí)間對(duì)除磷效果的影響

從圖7可見，隨著混合時(shí)間的增大，磷的去除率不斷增大，當(dāng)混合時(shí)間為120 s時(shí)，磷的去除率達(dá)到最大為89.0%，達(dá)到最佳的絮凝效果。隨后混合時(shí)間繼續(xù)增加，磷的去除率卻不斷下降。

3.2.6反應(yīng)轉(zhuǎn)速對(duì)磷去除效果的影響

在室溫，混合轉(zhuǎn)速150 r/min，混合時(shí)間2 min，反應(yīng)時(shí)間20 min，投加量10.0 g/L，pH值為5，沉降時(shí)間30 min的條件下，考察了反應(yīng)轉(zhuǎn)速對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8　反應(yīng)轉(zhuǎn)速對(duì)除磷效果的影響

從圖8可見，反應(yīng)轉(zhuǎn)速的增大，磷的去除率緩慢增加，當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，磷的去除率達(dá)最大，為91.6%，達(dá)到最佳絮凝效果。隨著反應(yīng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，磷的去除率卻迅速下降。這是由于反應(yīng)轉(zhuǎn)速過(guò)大，形成的礬花被打碎，不易沉淀，從而降低了絮凝效果。

3.2.7反應(yīng)時(shí)間對(duì)磷去除效果的影響

在室溫，混合轉(zhuǎn)速150 r/min，混合時(shí)間2 min，投加量10.0g /L，pH值為5，反應(yīng)轉(zhuǎn)速100 r/min，沉

降時(shí)間30 min的條件下，考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9　反應(yīng)時(shí)間對(duì)除磷效果的影響

從圖9可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，磷的去除率顯著增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為20 min時(shí)，磷的去除率達(dá)最大，為87.2%，此時(shí)絮凝效果最好。隨著反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，污水中磷的去除率呈緩慢下降趨勢(shì)。

3.2.8沉淀時(shí)間對(duì)磷去除效果的影響

在室溫，混合轉(zhuǎn)速150 r/min，混合時(shí)間2 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速100 r/min，反應(yīng)時(shí)間20 min，投加量10.0 g/L，pH值為5的條件下，考察了沉降時(shí)間對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果如圖10所示。

圖10　沉淀時(shí)間對(duì)除磷效果的影響

從圖10可見，隨著沉淀時(shí)間的延長(zhǎng)，污水中磷的去除率不斷增大，當(dāng)沉淀時(shí)間為50 min時(shí)，污水中磷的去除率最大，為92.1%，此時(shí)絮凝效果最好。隨著沉淀時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，污水中磷的去除率稍稍下降。這是由于在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，沉淀時(shí)間越長(zhǎng)，絮體沉淀越多，絮凝效果增強(qiáng)。當(dāng)達(dá)到最佳沉降時(shí)間后，繼續(xù)延長(zhǎng)沉淀時(shí)間，磷的去除率反而稍稍下降，這可能是因?yàn)槌恋頃r(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使絮凝劑上已吸附物解吸，絮凝效果變差。

3.3正交實(shí)驗(yàn)

通過(guò)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。

表1L9(34)正交實(shí)驗(yàn)直觀分析計(jì)算表

實(shí)驗(yàn)號(hào)投加量/(g/mL)pH值混合時(shí)間/s反應(yīng)轉(zhuǎn)速/(r/min)TP去除率/%1511801006.9210160808.0315112012032.84551208082.4510518012092.661556010093.27596012062.6810912010083.391591808090.8Ti1151.9047.70163.80181.20Ti2183.90268.20198.50183.40Ti3216.80236.70193.00188.00Ki150.6315.9054.6060.40Ki261.3089.4066.1761.13Ki372.2778.9064.3362.67R21.6473.5011.572.27

從表1可見，正交最佳水平組合為：投加量為15.0 g/L，pH值為5，混合時(shí)間為1 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速為100 r/min。

根據(jù)極差的大小，得知絮凝劑對(duì)除磷效果的影響主次順序?yàn)椋簆H值 >投加量 >混合時(shí)間 >反應(yīng)轉(zhuǎn)速。

4結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1) 以硅酸鈉(NaSiO3·9H2O)，硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O)和硫酸為原料合成了PASS。

(2)紅外圖譜表明將硫酸鋁引入到聚硅酸中生成較多的Al-O-Al、Al-O-Si 的橋接結(jié)構(gòu)，而生成較少的Al 的單核或多核配合物。

(3)X射線衍射圖譜表明, 聚硅酸硫酸鋁與聚合硫酸鋁具有相似結(jié)構(gòu)，是一種多羥基無(wú)機(jī)高分子聚合物，其具有穩(wěn)定的晶形結(jié)構(gòu)，是一種復(fù)雜的晶體混合物。

(4)單因素影響實(shí)驗(yàn)考察了絮凝劑投加量，污水的pH值，加熱電壓，絮凝過(guò)程水力條件等因素。各因素的最佳取值分別為：絮凝劑投加量為10.0 g/L，污水pH值為5，電壓值為40 V，混合轉(zhuǎn)速為150 r/min，混合時(shí)間為2 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速為100 r/min，反應(yīng)時(shí)間為20 min，沉降時(shí)間為50 min。

(5)通過(guò)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，確定了該絮凝劑對(duì)生活污水中磷去除效果的最佳水平組合為： 最佳投加量為15.0 g/L，最佳pH值為5，最佳混合時(shí)間為1 min，最佳反應(yīng)轉(zhuǎn)速為100 r/min。各因素對(duì)除磷的影響大小為：pH值 >投加量 >混合時(shí)間 >反應(yīng)轉(zhuǎn)速。

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Study on polynucleate aluminum hydroxyl silicate-sulphate flocculent removing phosphorus in sanitary sewage

HUWen-yun,YANGChun-lin

(School of Chemical and Environmental Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：A new process of preparing polynucleate aluminum hydroxyl silicate-sulphate compound (PASS) was synthesized by sodium silicate, aluminum sulfate and sulfuric acid in this paper, and it was characterized by IR and XRD. The elimination phosphorus property of PASS for the sewage was investigated, and the concrete influencing factors were the agent amount, pH, temperature and the condition of hydraulic power etc. The results of single factor experiments showed the best condition for each factor: the dose of PASS was 10.0 g/L, the pH was 5, the admixture turn was 150 r/min, the mixing time was 2 minutes, the reacting rotational speed was 100 r/min, the mixing time was 20 minutes, the setting time was 50 minutes. On the basis of single factor research, the L9(34)orthogonal experiment was carried on. The results showed the best condition was that the optimum dose of PASS was 15.0 g/L,the optimum pH was 5, the best mixing time was 1minutes,and the optimum reacting rotational speed was 100r/min.The influencing order was respectively the pH, agent amount, mixing time and reacting rotational speed.

Key words：polynucleate aluminum hydroxyl silicate-sulphate compound; flocculent; phosphoric sanitary sewage; remove phosphorus

收稿日期：2016-04-10.

作者簡(jiǎn)介：胡文云(1970-)，女，副教授，E-mail: 295003728@qq.com.

文章編號(hào)：2095-7386(2016)02-0045-05

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.02.008

中圖分類號(hào)：X 703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A