环境工程学报, 12(10): 2741-2750

DOI 10.12030/j.cjee.201803010    中图分类号  X703.1   文献标识码  A


朱宏伟,于涛,郭志鹏,等. 新型给水污泥-粉煤灰陶粒性能与除磷效果[J]. 环境工程学报,2018,12(10):2741–2750.
ZHU Hongwei, YU Tao, GUO Zhipeng, et al. Phosphorus removal performance of novel ceramsite made from water treatment sludge and fly ash [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(10):2741–2750.
新型给水污泥-粉煤灰陶粒性能与除磷效果
朱 宏伟 1,2,3, 于 涛 1, 郭 志鹏 1,2, 魏 东洋 2, 贺 涛 2 , 张 恒军 2,*
1. 兰州理工大学石油化工学院,兰州 730050
2. 环境保护部华南环境科学研究所,广州 510535
3. 正业设计股份有限公司,哈尔滨 150090
第一作者:朱宏伟(1991—),男,硕士研究生,研究方向:水污染控制技术。E-mail:527782810@qq.com
*
通信作者, E-mail:zhanghengjun@scies.org
收稿日期: 2018-03-01; 录用日期: 2018-06-22
基金项目: 广州市科技计划科学研究专项(201607010259);广东省自然科学基金资助项目(2016A030313021);中央级公益性科研院所基本科研业务专项(PM-ZX021-201510-002)

摘  要 

为资源化利用自来水厂剩余污泥,以给水污泥、粉煤灰、水玻璃制备新型给水污泥-粉煤灰陶粒(ceramsite made by water treatment sludge and fly ash,CWTSFA),用作污水处理填料。采用短时多段高温煅烧法烧制新型给水污泥陶粒,通过等温吸附实验探讨其吸附磷机理,通过动态吸附实验及CWTSFA基质折流曝气生态滤池除磷效果探究其在实际水处理中的应用前景。实验结果表明:CWTSFA内部存在许多孔径不均匀、密闭和贯通的孔状结构,表面存在釉和通向内部的孔道;不含有机物,Al3+、Ca2+、Fe3+等金属离子含量较高,高温煅烧使部分原料成分改变,形成新物相莫来石。持续振荡24 h后,CWTSFA平均磨损率仅1.49%,对磷酸盐静态吸附去除率最高达到94.92%,为化学吸附;当HRT=24 h时,CWTSFA动态吸附磷出水浓度稳定在0.03 mg·L−1左右,持续运行49 d后去除率由93.33%下降至81.82%,CWTSFA基折流曝气生态滤池运行19 d可自然挂膜,对总磷去除率稳定在92%以上。CWTSFA具有较强的抗水力冲刷能力及对磷酸盐的吸附效果,用作水处理填料能在较短时间内完成挂膜,且总磷出水水质良好,具有实际应用前景。
Phosphorus removal performance of novel ceramsite made from water treatment sludge and fly ash
ZHU Hongwei 1,2,3, YU Tao 1, GUO Zhipeng 1,2, WEI Dongyang 2, HE Tao 2 , ZHANG Hengjun 2,*
1. School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China
2. South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510535, China
3. Zhengye Design Group Company Limited, Harbin 150090, China
*
Corresponding author, E-mail:zhanghengjun@scies.org

Abstract  

In order to recycle the excessive sludge from a water treatment plant, a ceramsite was prepared as packings for water treatment with the addition of fly ash and water glass. A short time multi stage high temperature calcination was used as the preparation method. The phosphorus removal performance of CWTSFA was evaluated in a baffled aeration ecological filter that fed with actual water. The phosphorus adsorption mechanism was revealed by isothermal adsorption. The results showed that the pores inside the CWTSFA were unevenly distributed, closed and interconnected. Glazes were found on the surface and interior channels of CWTSFA. The concentration of metal ions in CWTSFA (Al3+, Ca2+ and Fe3+) was high and new phase of mullite was identified after high temperature calcination. After continuous oscillation of 24 h, the average wear rate of CWTSFA was 1.49%, and the highest removal efficiency of phosphate was 94.92%. At an HRT of 24 h, the effluent concentration of CWTSFA dynamic adsorption was stable at 0.03 mg·L−1, and the removal rate decreased from 93.33% to 81.82% after 49 days of continuous operation. The biofilm was acclimated after 19 days in the CWTSFA base biologic aerated filter. The removal efficiency of total phosphorus was up to 92%. In addition, CWTSFA showed a strong resistance towards corrosion. The CWTSFA prepared from excessive sludge with the addition of fly ash and water glass exhibited a great potential as an effective packing for removing phosphorous in water treatment.
自来水厂给水污泥是以铁盐、铝盐为絮凝剂使水中不稳定胶体离子凝聚成较大颗粒后沉淀得到的产物[1-2],对水体中磷具有良好的吸附能力[3],目前被广泛应用于污水中磷酸盐的去除。马宏林等[4]利用响应面法优化给水污泥吸附磷实验条件、马啸宙等[5]利用正交实验优化给水污泥吸附磷实验效果,研究表明,在响应面优化的条件下给水污泥对磷酸盐的去除率达到93.14%,正交实验优化后理论饱和吸附量可达到3.47 mg·g−1;韩云婷等[6]在给水污泥中添加Al(OH)3,可使磷酸盐的饱和吸附量达到20.8 mg·g−1,将其用于多级反应中处理化肥厂废水,24 h磷酸盐去除率可达到99%;王信等[7]利用给水污泥负载铁合物,对磷的最大平衡吸附量达到24.69 mg·g−1。这些改性材料能大幅度提升给水污泥对磷酸盐吸附性能,但材料多为粉末状,使用后不利于回收。
一些研究尝试利用粉状原料烧制陶粒来增强其适用范围,如王乐乐等[8]利用城市污水处理厂的剩余污泥烧制轻质陶粒,兰善红等[9]利用粉煤灰制备陶粒,徐振华等[10]利用污泥、底泥和粉煤灰烧制陶粒,贺君等[11]利用给水污泥和污水污泥烧制陶粒。但这些研究烧制的陶粒会使原材料吸附性能大幅度降低。本研究以给水污泥、粉煤灰为主要原料,配合液体硅酸钠的黏合作用,采用短时多段高温煅烧法烧制新型给水污泥陶粒。陶粒表面在高温加热时会形成熔融态玻璃体,利用粉煤灰中剩余炭和铁的氧化物在高温加热时生成气体[12],通过短时快速升温可使陶粒内部产气膨胀[13],在特定烧制温度下,陶粒内产生的气体逸出会同陶粒表面适宜黏度的液相形成动态平衡[14],通过二次快速加热打破平衡,使陶粒内气体大量逸出,形成连接陶粒内外的孔道结构。利用这种制造方法可提高陶粒孔隙率,保留了给水污泥对磷吸附效果好的特点,大大增强了其在污水处理工程中的适用范围。同时,以自来水厂给水污泥及发电厂废弃物制造污水处理新材料,达到了固体废弃物资源化、减量化、无害化的目的,实现了环境效益、经济效益、社会效益的结合,符合可持续发展的需求。

1 实验部分

1.1 实验材料

1.1.1 主要试剂

给水污泥取自广东省佛山市某自来水厂,给水厂所用混凝剂为Al2(SO4)3;粉煤灰购自巩义市淼源净水有限公司;液体无定型硅酸钠,模数为3.3,购自青岛优索化学科技有限公司;吸附实验使用的对比陶粒为陶粒滤料,购自萍乡市飞云陶瓷实业有限公司;磷溶液采用分析纯级磷酸二氢钾配置, 试剂购自天津市大茂化学试剂厂;其他实验溶液由烘干后的药品与超纯水配置而成,使用药品均为分析纯。

1.1.2 实验仪器

箱式电阻炉SX2-5-12-12N(上海一恒科学仪器有限公司)、小型制丸机HBZ-201(瑞安市瀚博机电有限公司)、离心机GL-20G-II型(上海安亭科学仪器有限公司)、扫描电子显微镜(SEM)S-3700N(日本日立仪器公司);X射线多晶衍射仪(XRD)D8 ADVANCE(德国Bruker公司)、波长色散X射线荧光光谱仪(XRF)Axio Pw4400(荷兰帕纳科公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 给水污泥-粉煤灰陶粒的制备

取脱水后给水污泥放入干燥箱于105 ℃烘干24 h,经研磨后,过60目筛保存备用。将给水污泥和粉煤灰按8.5:1.5的比例混合均匀备用;取一定质量的液体硅酸钠加水配置成相当于混合物总质量42%的水溶液,将混合物加入水溶液中搅拌均匀制得泥浆;泥浆经干燥箱烘干1 h后,用小型制丸机进行造粒,得到粒径为8 mm左右颗粒状生料。成型的生料自然通风干燥2~4 h,待其表面干燥后,置于预热至200 ℃电阻箱,恒温加热10 min后,将温度升至500 ℃,恒温加热5 min,温度快速提升至1 100 ℃,并保温10 min,将温度快速生温至1 150 ℃,恒温2 min后关闭电源,自然冷却后得到给水污泥-粉煤灰陶粒(CWTSFA)。

1.2.2 CWTSFA表征

对最优条件下制备的CWTSFA用扫描电子显微镜、X射线多晶衍射仪、波长色散X射线荧光光谱仪进行表征,探究其结构特征。

1.2.3 CWTSFA振荡磨损实验

称取一定量的CWTSFA,测其质量,记为M,将称量的CWTSFA放入锥形瓶中,加水,在160 r·min−1下于振荡箱中持续振荡24 h,多次冲洗去除磨损残渣后,取剩余陶粒经干燥箱烘干至恒重(测量间隔不少于3 h),测其质量,记为M1,磨损率计算公式[15]如下:
磨损率=(MM1)/M×100%
(1)

1.2.4 CWTSFA吸附磷性能

1)静态吸附实验。分别取低浓度梯度1、2、5、10、20、30 mg·L−1和高浓度梯度40、50、60、70、80 mg·L−1磷溶液于250 mL的锥形瓶中, 加入4.0 g·L−1的CWTSFA及普通陶粒,在30 ℃条件下, 控制转速160 r·min−1,振荡吸附24 h,振荡结束后将溶液在4 000 r·min−1下离心15 min,取上清液测定溶液中磷浓度。
为阐明CWTSFA对磷的吸附机理,分别用Langmuir、Freundlich和Temkin等温方程对30 ℃条件下的吸附数据进行拟合。
平衡吸附量计算公式:
q e = ( c 0 c e ) / m
(2)
Langmuir模型方程:
c e / q e = 1 / K L q m + c e / q m
(3)
Freundlich模型方程:
q e = K F c e 1 / n
(4)
Temkin模型方程:
q e = A ln K T c e
(5)
式中: qe为CWTSFA的平衡吸附量,mg·g−1ce为吸附平衡时溶液中磷的浓度,mg·L−1c0为初始溶液中磷浓度,mg·L−1m为投加CWTSFA的质量,g;qm为最大平衡吸附量,mg·g−1KL为吸附平衡常数,L·mg−1KF、KTAn为常数。
2)动态吸附实验。实验用水为广州增城区某蔬菜园灌溉排水, 实验装置为直径ϕ=100 mm、高H=500 mm的有机玻璃吸附柱,具体装置如图1所示。实验采用下进上出的进水方式,设置3组平行实验,水力停留时间分别为6、12、24 h,测定在7周内,CWTSFA、普通陶粒对磷的动态吸附效果。
图1 动态吸附装置图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup
图1 动态吸附装置图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup
Cjee 201803010 t1

1.2.5 基于CWTSFA基质的曝气生态滤池除磷效果

实验装置材料采用长×宽×高为80 cm×10 cm×40 cm的有机玻璃。实验装置内设3处折流挡板,将装置分为4个区域,处理区内填充粒径5~8 mm的CWTSFA基质混合填料(约30 kg),具体装置如图2所示。 在20 ℃,DO=6~8 mg·L−1,pH=7~8的条件下,进行污水处理实验,系统运行时间共60 d,考察水力停留时间分别设为24、12、6 h,系统对总磷的去除效果。
图2 曝气生态滤池装置图
Fig. 2 Schematic diagram of biologic aerated filter
图2 曝气生态滤池装置图
Fig. 2 Schematic diagram of biologic aerated filter
Cjee 201803010 t2

2 结果与讨论

2.1 CWTSFA 的理化性质

CWTSFA主要物理指标如表1所示,主要原料的化学成分如表2所示。从表1可以看出,CWTSFA的各项技术指标均可满足《轻集料及其试验方法》(GB/T 17431.1-2010)[16]中1 000级工业废渣轻集料要求,适合烧制轻质陶粒。从表2可以看出,2种原料中骨架成分SiO2和Al2O3含量均较高,可保证CWTSFA机械强度,Fe2O3、有机质等发气成分含量较高,可保证陶粒制备过程具有良好的膨胀性[17-18];煅烧后CWTSFA组分和原材料变化较大,其中烧失量完全消失,这是由于高温煅烧使原料内有机质全部气化逸出;Na2O含量显著上升,是由于原料中添加了添加剂液体硅酸钠;Al3+、Ca2+、Fe3+等金属离子含量较高,可与磷酸盐形成稳定沉淀;Na2O、K2O等碱金属离子含量上升,溶于水后可使CWTSFA周围微环境呈碱性,促进Al3+、Ca2+、Fe3+等金属离子与磷酸盐形成沉淀。
表1 CWTSFA的物理性质
Table 1 Physical properties of CWTSFA
表1 CWTSFA的物理性质
Table 1 Physical properties of CWTSFA
标准及样品
筒压强度/MPa
粒径/mm
堆积密度/(kg·m−3)
比表面积/(m2·g)
孔隙率/%
吸水率/%
《轻集料及其试验方法》
(GB/T 17431.1-2010)标准(1 000级)
1.5
900~1 000
10
CWTSFA
3.17
6~8
900~950
4.83
55~58
8
表2 给水污泥、粉煤灰及CWTSFA的主要化学成分
Table 2 Chemical composition of water treatment sludge, fly ash and CWTSFA %
表2 给水污泥、粉煤灰及CWTSFA的主要化学成分
Table 2 Chemical composition of water treatment sludge, fly ash and CWTSFA %
检测样品
SiO2
Al2O3
烧失量
Fe2O3
K2O
CaO
TiO2
MgO
ZnO
P2O5
SO3
MnO
Na2O
BaO
给水污泥
47.32
25.13
15.16
6.51
2.76
0.67
0.59
0.55
0.04
0.42
0.30
0.22
0.13
0.06
粉煤灰
51.55
27.39
9.43
3.15
1.64
4.28
1.08
0.47
0.25
0.19
0.05
0.33
0.01
CWTSFA
58.50
27.34
6.36
2.95
1.22
0.66
0.64
0.04
0.38
0.13
0.21
1.47
CWTSFA表面较粗糙,呈红褐色,外表面存在孔状结构。敲碎后的横截面上有许多联通及不联通的气孔,CWTSFA扫描电镜图见图3。由图3(a)、(b)可以看出,CWTSFA内部存在许多微小孔状结构,孔径分布不均匀,从1 μm到40 μm不等,其中部分为密闭性气孔,部分气孔相互贯通;由图3(c)、(d)可以看出,CWTSFA外表面存在一层致密的釉状结构,表面较粗糙,存在许多深入陶粒内部的孔道,且孔径较大。这是因为在1 100 ℃时,CWTSFA仅在表面形成大量液相,内部仍保持高黏度、液相少的状态,余炭和铁的氧化物加热产生的气体无法全部被液相完全包裹,产生的压力部分冲破CWTSFA表面熔融态玻璃体,造成连接陶粒内外的孔道结构,部分形成封闭孔结构[19],这有利于CWTSFA对磷酸盐的吸附及微生物的附着。由图3(e)、(f)可以看出,CWTSFA用于曝气生态滤池填料后,外表面附着有不同形态的微生物,以球型和杆型为主,这与BAO等[20]利用凹凸棒石、给水污泥烧制磁性多孔陶粒表面微生物群落类似。
图3 CWTSFA电镜图
Fig. 3 SEM images of CWTSFA
图3 CWTSFA电镜图
Fig. 3 SEM images of CWTSFA
Cjee 201803010 t3
给水污泥及CWTSFA的XRD表征如图4所示,给水污泥在2θ=20.76 °、26.54 °、39.35 °、50.04 °、59.85 °等处出现较强的SiO2吸收峰,表明给水污泥中含有石英[21];在2θ=8.75 °、19.77 °、34.91 °处出现了白云母(KAl2(AlSi3O10)(OH)2)的特征吸收峰[22];在2θ=12.25 °、19.77 °、34.87 °处出现了高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)的特征吸收峰[23];同给水污泥相比,CWTSFA在2θ=12.25 °、19.77 °、40.73 °处的特征衍射峰消失,这可能是由于高岭土在600 ℃左右会脱除结构水,使晶体结构发生改变;在2θ=16.31 °、33.21 °附近生成新的衍射峰,为莫来石(3Al2O3·2SiO2)的特征吸收峰[24],说明在陶粒烧结过程中产生新的物相;在2θ=33.21 °、36.43 °附近生成新的物相钙铁榴石Ca3Fe2(SiO4)3[25];这与李亮[26]利用粉煤灰烧结轻质陶粒产生新物相钙长石(CaAl2Si2O8)的结论类似。
图4 CWTSFA及给水污泥XRD表征
Fig. 4 XRD spectra of CWTSFA and water treatment sludge
图4 CWTSFA及给水污泥XRD表征
Fig. 4 XRD spectra of CWTSFA and water treatment sludge
Cjee 201803010 t4

2.2 磨损实验结果

图5为CWTSFA及陶粒持续振荡24 h质量变化及磨损情况,可以看出,7组实验陶粒和CWTSFA持续振荡后质量及磨损率存在波动,但基本稳定于一定范围内,这可能是填料粒径不均匀导致的。其中陶粒最小磨损率为11.66%,最大磨损率为18.99%,平均磨损率为15.48%;CWTSFA最小磨损率为1.20%,最大磨损率为1.85%,平均磨损率为1.49%。可以看出CWTSFA磨损率远小于陶粒,可间接说明CWTSFA抗水力冲刷能力强于陶粒。这是由于CWTSFA的原料给水污泥及粉煤灰中均含有大量二氧化硅,在1 100 ℃高温煅烧后,表面形成致密的釉状结构;另一方面,Al2O3与CaO、SiO2等反应形成莫来石等多种新的水化硅酸钙,可有效提高材料机械强度[27-28]
图5 CWTSFA及陶粒持续振荡后磨损情况
Fig. 5 Wear condition of CWTSFA after continuous oscillation
图5 CWTSFA及陶粒持续振荡后磨损情况
Fig. 5 Wear condition of CWTSFA after continuous oscillation
Cjee 201803010 t5

2.3 CWTSFA吸附磷性能

2.3.1 静态吸附

图6为CWTSFA及陶粒对磷的吸附效果。从图6可以看出,CWTSFA及陶粒对磷酸盐的去除率均随溶液初始浓度提升而下降,平衡吸附量随溶液初始浓度提高总体呈先上升后趋于稳定的趋势。CWTSFA对磷酸盐的去除率及平衡吸附量均显著优于陶粒,在初始浓度为1 mg·L−1时,陶粒对磷酸盐的去除率最佳,可达到12.59%,平衡吸附量仅为0.003 mg·g−1,CWTSFA对磷酸盐去除率最高可达到94.92%,但此时平衡吸附量较低,为0.023 mg·g−1;当初始浓度为49.71 mg·L−1时,CWTSFA对磷酸盐去除率为74.31%,平衡吸附量为0.917 mg·g−1,均可达到较高水平。
图7为CWTSFA对磷的吸附等温线及吸附模型拟合曲线,结合表3可以看出,Langmuir方程的R2值大于Temkin和Freundlich方程模型,说明CWTSFA对磷的吸附为单分子层吸附,吸附量会随磷浓度的提高而持续升高。Langmuir方程模型拟合得到的磷酸根最大饱和吸附量qm=1.199 mg·g−1,与实验得到的最大平衡吸附量(1.094 mg·g−1)基本一致。平衡吸附量较大的原因可能是:1)煅烧产生莫来石等新物相,使比表面积增加;2)高温煅烧使材料内部结晶水和有机物烧失比表面积增大,同时加热产气造成连接陶粒内外的孔道结构,使磷酸盐能够进入陶粒内部;3)CaO、SiO2与Al2O3等反应形成新的水化硅酸钙,可与PO43−发生置换作用[29];4) CWTSFA中部分Fe3+溶出可与PO43−生成磷酸铁沉淀;5) CWTSFA含有较多的活化钙(见表2)和水中PO43−反应生成Ca3(PO4)2沉淀,在碱性条件下可形成更加稳定的Ca5(PO4)3OH,反应方程式[30]如下:
3 Ca 2 + + 2 H 2 PO 4 + 4 OH Ca 3 ( PO 4 ) 2 + 4 H 2 O
(6)
5 Ca 2 + + 3 H 2 PO 4 + 7 OH Ca 5 ( PO 4 ) 3 OH + 6 H 2 O
(7)
图6 不同初始浓度下CWTSFA和陶粒对磷酸盐吸附性能
Fig. 6 Adsorption properties of CWTSFA and ceramsite on phosphate at different initial concentration
图6 不同初始浓度下CWTSFA和陶粒对磷酸盐吸附性能
Fig. 6 Adsorption properties of CWTSFA and ceramsite on phosphate at different initial concentration
Cjee 201803010 t6
图7 CWTSFA等温吸附曲线
Fig. 7 Sorption isotherm of CWTSFA
图7 CWTSFA等温吸附曲线
Fig. 7 Sorption isotherm of CWTSFA
Cjee 201803010 t7
表3 CWTSFA等温吸附拟合参数
Table 3 Isothermal adsorption fitting parameters of CWTSFA
表3 CWTSFA等温吸附拟合参数
Table 3 Isothermal adsorption fitting parameters of CWTSFA
温度 /K
Langmuir
Freundlich
Temkin
qm /(mg·g−1)
KL /(L·mg−1)
R2
KF /(mg·g−1)
n/(L·mg −1)
R2
KT
A
R2
303
1.199
0.249
0.976
0.324
2.770
0.914
7.900
0.188
0.940

2.3.2 动态吸附

图8为不同水力停留时间(HRT)条件下CWTSFA对磷酸盐动态吸附性能。可知在不同HRT时,CWTSFA对磷酸根的去除效果均优于陶粒,且随着动态吸附运行实验的进行,二者对磷酸根去除率均有所下降,这是因为随着吸附实验的进行,2种材料的吸附点位逐渐趋于饱和。当HRT=6 h时,除个别进水浓度较高,CWTSFA组其他磷酸盐出水浓度稳定在0.1 mg·L−1左右,持续运行49 d后,去除率由68.75%下降到50%;当HRT=12 h时,CWTSFA组磷酸盐出水浓度基本稳定在0.05 mg·L−1左右,可达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类标准,持续运行49 d后去除率由88.37%下降到76.92%;当HRT=24 h时,CWTSFA组磷酸盐出水浓度稳定在0.03 mg·L−1左右,可达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅱ类标准[31],持续运行49 d后去除率由93.33%下降到81.82%;由图5(d)可知,陶粒组前12 h吸附速率较快,12~18 h吸附速率变缓,18 h后吸附趋于稳定,去除率最终稳定在38.41%;CWTSFA组前6 h动态吸附速率较快,6 h后吸附速率变缓,24 h后吸附趋于稳定,去除率最终稳定在90.23%,优于ERICKSON等[32]利用铁屑与砂混合物除磷(88%)效果,BROOKS等[33]利用硅灰石除磷效果。
图8 不同HRT下CWTSFA和陶粒对磷酸盐动态吸附曲线
Fig. 8 Dynamic adsorption curves of phosphate and CWTSFA in different HRT
图8 不同HRT下CWTSFA和陶粒对磷酸盐动态吸附曲线
Fig. 8 Dynamic adsorption curves of phosphate and CWTSFA in different HRT
Cjee 201803010 t8

2.4 CWTSFA基折流曝气生态滤池对磷酸盐的去除效果

图9为基于CWTSFA折流曝气生态滤池对磷酸盐去除效果,可以看出进水水质变化较大,进水水质变化范围为0.16~0.61 mg·L−1,出水水质磷酸盐浓度较低,基本稳定在0.01~0.11 mg·L−1;装置运转最初对磷酸盐去除率较高,基本可达到90%以上,这是由于CWTSFA对磷酸盐的吸附作用,几天后,由于CWTSFA表面部分吸附点位饱和,去除效果有所下降;之后出水磷酸盐浓度波动较大,这可能是由于CWTSFA表面微生物挂膜不完全导致的;装置运行19 d后系统出水磷酸盐浓度趋于稳定,说明挂膜基本完成,此时系统对磷酸盐去除率基本维持在92%左右;持续运行2周后,调整装置水力停留时间至12 h,磷酸盐去除率有所下降,在87%左右波动,继续运行2周后,调整水力停留时间至6 h,磷酸盐去除率下降至75%左右,可见HRT对磷酸盐去除效果影响显著,原因可能是:1) HRT降低,导致磷酸盐和基质接触时间较短,降低CWTSFA对磷酸盐吸附效果;2)HRT较短,微生物和污染物质没有足够的接触时间和分解代谢时间;3)HRT降低,导致进水流速增加,加强了对基质表面生物膜的冲刷作用,使部分微生物流失。CWTSFA在自然条件下挂膜速度较快,整个周期约3周,适合作为生物填料使用,CWTSFA表面粗糙,孔隙多,适合微生物附着生长,单位表面积能富集更多数量的微生物,具有更好的除磷效果[34]
图9 CWTSFA曝气生态滤池对磷酸盐去除的影响
Fig. 9 Effect of CWTSFA baffled biological aerated filter on phosphate removal
图9 CWTSFA曝气生态滤池对磷酸盐去除的影响
Fig. 9 Effect of CWTSFA baffled biological aerated filter on phosphate removal
Cjee 201803010 t9

3 结论

1)采用特殊烧制工艺制得的CWTSFA陶粒存在许多联通及独立的气孔,烧制后形成新物相莫来石(3Al2O3·2SiO2),增强了陶粒机械强度,Al3+、Ca2+、Fe3+等金属离子含量较大,能与溶液中磷酸盐生成稳定沉淀,增强去除磷酸盐性能。
2)CWTSFA持续振荡24 h后,平均磨损率仅1.49%;对磷酸盐的最高去除率可达到94.92%,CWTSFA吸附磷酸盐属于化学吸附;动态吸附实验中,当HRT=6 h时,磷酸盐出水浓度稳定在0.1 mg·L−1,去除率为68.75%;当HRT=12 h时,磷酸盐出水浓度基本稳定在0.05 mg·L−1,去除率为88.37%;当HRT=24 h时,磷酸盐出水浓度稳定在0.03 mg·L−1,去除率为93.33%;CWTSFA动态吸附前6 h速率较快,6 h后吸附速率变缓,24 h后趋于稳定,去除率最终稳定在90.23%。
3)CWTSFA基质折流曝气生态滤池运行19 d后可完成挂膜,出水水质趋于稳定;当HRT=24 h时,系统对磷酸盐去除率基本维持在92%左右;当HRT=12 h时,磷酸盐去除率维持在87%左右;当HRT=6 h时,磷酸盐去除率在75%左右。

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