超声辅助处理净水污泥用于去除废水中磷和氨氮研究

摘要

净水污泥是自来水生产的副产物，数量多而且分布广。对净水污泥的处置问题已纳入我国的“十二五”规划。资源化再利用是可持续缓解净水污泥所产生的环境及社会问题的有效途径。本文在全面了解国内外有关净水污泥资源化利用研究的基础上，研究利用超声辅助技术，对净水污泥进行适当处理，使其可有效用于去除废水中的磷和氨氮污染物。本研究旨在探索净水污泥资源化利用的新方法，探讨“以废治废”技术的可行性，具体内容如下:
　　1、超声辅助酸化法处理净水污泥及其过程强化的机理研究
　　考察了酸浓度、超声功率、超声作用时间、搅拌强度、固-液比以及固体颗粒粒径等因素对净水污泥中铝、铁离子回收率的影响，确定出适宜的操作条件。采用碘释放法、金属薄膜腐蚀法以及热敏探头法间接测量了超声功率、搅拌强度、酸浓度及固-液比等因素对反应器内超声空化强度的影响，对超声空化作用机理进行了分析。结果表明:适宜的操作条件可降低反应器内超声衰减程度，使超声空化强度增大、分布均匀，回收效果增强。粒内扩散是回收过程控制步骤，动力学分析验证了由超声空化产生的湍动效应、聚能效应以及微扰效应对回收过程的液膜扩散、表面反应以及颗粒内层扩散的强化作用。
　　2、超声酸化处理净水污泥产生的剩余泥的除磷性能及机理研究
　　利用XRF、ICP、XRD、FT-IR、SEM、EDS以及BET比表面测试等手段，对净水污泥(DWS)、剩余泥(DWSR)以及焙烧净水污泥(C-DWS)和焙烧剩余泥(C-DWSR)的性质进行了测试。结果显示，DWSR中的总铝、铁含量相比DWS分别减少了50％和70％; DWS中无定形氢氧化铝和氢氧化铁有部分转变成DWSR中的硫酸铝和硫酸铁;C-DWS和C-DWSR中的铝、铁含量约为焙烧前的1.1倍。
　　利用静态吸附实验考察了溶液pH、溶液初始浓度、吸附剂投加量、吸附时间及吸附温度等因素对除磷性能的影响。结果表明:DWSR和C-DWSR除磷的效果受pH影响较大，在适宜pH条件下，DWSR和C-DWSR的最大磷去除量约为DWS和C-DWS的4倍。半连续动态实验表明DWSR对废水中磷的去除效果没有受到溶液中竞争离子的影响，出水pH为中性，有利于实际应用。
　　DWS、C-DWS以及C-DWSR可用Langmuir、Freundlich、D-R以及Temkin吸附等温模型拟合;拟合参数显示DWS与C-DWS的吸附能力接近，与C-DWSR相差较大;C-DWSR的平均吸附能约为DWS和C-DWS的70％，反映出不同的除磷机理。四种除磷吸附剂的动力学数据与拟二级动力学方程拟合度最高，在溶液浓度为50mg/L时，DWSR的拟二级反应速率常数约为DWS的20倍。当溶液浓度较低和较高时，液膜扩散和粒内扩散分别为过程的控制步骤，相比于DWS，DWSR的除磷速率受液膜扩散的影响更明显。热力学分析结果显示，DWS和C-DWS除磷是吸热、熵增大的自发过程;DWSR和C-DWSR除磷是放热、熵增大的自发过程。DWS、C-DWS主要通过表面羟基与磷酸根发生配体交换吸附除磷;DWSR和C-DWSR主要利用铝、铁离子与磷酸根发生化学凝聚沉淀反应除磷。
　　3、净水污泥的水热处理及产物的结构分析研究
　　采用改进的水热合成法，以DWS为原料，在超声辅助作用下，按两条路线制成铵离子吸附材料M-DWS1＃和M-DWS2＃。同M-DWS1＃相比，M-DWS2＃的制备工艺具有原料利用率高、废弃物排放少的优势。利用XRF、XRD、SEM、EDS及FT-IR等手段和BET比表面(SSA)、阳离子交换容量(CEC)、zeta电位和等电点(IEP)测试等方法，对DWS、M-DWS1＃和M-DWS2＃的性质进行了表征。结果表明:DWS中的无定形片层结构转变成M-DWS2＃中的细小颗粒及M-DWS1＃中的粒径为30nm的球形颗粒，颗粒内大量的微孔结构以及颗粒边面上大量的断键使其表面性能发生改变。M-DWS1＃和M-DWS2＃的SSA分别增至DWS的8倍和4倍;IEP由DWS的6.1下降至5.2和4.5，CEC则分别比DWS增大了7倍和3倍。
　　4、M-DWS1＃和M-DWS2＃的铵离子吸附性能及吸附机理研究
　　利用静态吸附实验，考察了溶液初始pH、初始浓度、吸附剂投加量、吸附时间及温度等因素对吸附效果的影响。实验测得在pH为7-8、溶液浓度为50mg/L、投加量为10g/L时，M-DWS1＃和M-DWS2＃可分别达到90％和80％的铵离子去除率。由Langmuir方程得出M-DWS1＃和M-DWS2＃的饱和吸附量分别为6.11和5.10mg/g;由D-R方程得出平均吸附能均在8-16kJ/mol范围内，说明该过程为离子交换吸附。测定的动力学数据与拟二级动力学模型的拟合度最高;膜扩散和粒内扩散控制同时存在，粒内扩散系数随溶液浓度增大而减小至10-11cm2/s左右，说明粒内扩散为主要控制步骤。热力学参数显示，M-DWS1＃和M-DWS2＃去除铵离子为放热、熵增大的自发物理及物理化学吸附过程。M-DWS2＃具有可同时去除废水中氨氮和磷的能力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 净水污泥的产生与组成

1．1．2 净水污泥的处置与利用

1．1．3 课题研究的意义与来源

1．2 净水污泥在废水处理中的应用研究进展

1．2．1 回收铝铁盐混凝剂

1．2．2 去除废水中磷污染物

1．2．3 去除废水中砷污染物

1．2．4 去除废水中重金属离子

1．2．5 去除废水中其它污染物

1．2．6 有待研究的课题

1．3 课题拟解决问题及相关研究概况

1．3．1 拟解决的问题

1．3．2 超声辅助技术及应用

1．3．3 水体中磷污染物去除

1．3．4 水体中氮污染物去除

1．4 课题研究内容与方法

1．4．1 主要内容

1．4．2 方案方法

1．4．3 技术路线

第二章 实验方法与原理

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 净水污泥样品制备

2．2．2 材料分析表征

2．2．3 超声提取实验

2．2．4 测试废水水样

2．2．5 静态吸附实验

2．3 吸附热力学及动力学

2．3．1 吸附等温线模型

2．3．2 吸附动力学模型

2．3．3 吸附热力学模型

第三章 超声辅助酸化法处理净水污泥及其过程强化机理

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验方法

3．3 净水污泥性质

3．3．1 净水污泥的组成

3．3．2 净水污泥的结构

3．4 金属离子回收效果

3．4．1 硫酸浓度的影响

3．4．2 超声功率的影响

3．4．3 超声时间的影响

3．4．4 搅拌强度的影响

3．4．5 固-液体系性质的影响

3．5 超声空化作用效果

3．5．1 超声功率的影响

3．5．2 搅拌强度的影响

3．5．3 硫酸浓度的影响

3．5．4 固-液比的影响

3．6 超声辅助酸化协同效应

3．6．1 协同效应测试

3．6．2 协同效应机理

3．7 回收过程动力学

3．7．1 动力学模型

3．7．2 过程控制步骤

3．8 本章小结

第四章 超声辅助酸化法处理净水污泥的除磷性能及机理

4．1 引言

4．2 实验材料和方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验方法

4．3 净水污泥除磷吸附剂性质

4．3．1 物质组成

4．3．2 物相组成

4．3．3 表面形貌

4．3．4 化学结构

4．3．5 热重分析

4．3．6 理化性质

4．3．7 毒物浸出

4．4 静态吸附除磷性能

4．4．1 溶液初始pH的影响

4．4．2 溶液初始浓度的影响

4．4．3 吸附剂投加量的影响

4．4．4 吸附时间的影响

4．4．5 吸附温度的影响

4．5 半连续动态除磷性能

4．5．1 模拟水样测试

4．5．2 实际水样测试

4．6 吸附相关参数及除磷机理

4．6．1 等温线分析

4．6．2 动力学分析

4．6．3 热力学分析

4．6．4 磷去除机理

4．7 本章小结

第五章 净水污泥的水热处理及产物的结构分析

5．1 引言

5．2 实验材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验方法

5．3 铵离子吸附材料的制备

5．3．1 制备方法及装置

5．3．2 制备路线及条件

5．4 铵离子吸附材料的表征

5．4．1 化学组成

5．4．2 物相结构

5．4．3 表面形貌

5．4．4 化学结构

5．4．5 电动电位

5．4．6 比表面积

5．4．7 阳离子交换容量

5．5 铵离子吸附材料表面性质改变机理

5．5．1 比表面增大

5．5．2 等电点降低

5．6 本章小结

第六章 净水污泥水热处理产物的氨氮吸附性能及机理

6．1 引言

6．2 实验材料与方法

6．2．1 实验材料

6．2．2 实验方法

6．3 静态吸附去除氨氮性能

6．3．1 溶液初始pH的影响

6．3．2 溶液初始浓度的影响

6．3．3 吸附剂投加量的影响

6．3．4 吸附时间的影响

6．3．5 吸附温度的影响

6．4 吸附相关参数及氨氮去除机理

6．4．1 等温线分析

6．4．2 动力学分析

6．4．3 热力学分析

6．4．4 氨氮去除机理

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论与创新点

7．1．1 主要结论

7．1．2 创新点

7．2 不足与展望

7．2．1 问题与不足

7．2．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文