粉煤灰改性制备污水除磷剂的研究

排放到河流和湖泊中的氮和磷大多来源于生活污水、工厂和畜牧业废水、山林耕地肥料流失以及降雨降雪等，水中氮和磷的含量与水体的富营养化有直接关系，当水体中的无机氮大于0.3mg.L-1，总磷浓度大于0.02mg.L-1，该水体即处于富营养化状态，不仅会导致水中藻类疯长，而且会使水体含氧量急剧下降，影响鱼类等水生生物的生存，从而破坏水体的生态平衡。

粉煤灰又称飞灰，是燃煤电厂粉煤燃烧排放的废弃物。粉煤灰粒径在1～500μm之间，由多种具有不同结构和形态的微粒组成，其主要成分是SiO2、A12O3、CaO、Fe2O3等物质。粉煤灰是一种固体废物，排到环境中会污染大气、污染地表水和地下水。但粉煤灰具有多孔结构，比表面积大强的吸附性等特点，目前在环保领域的应用研究己成为环境科学的一个热点。利用粉煤灰处理水中的磷成本低，耗能少，在含磷废水处理领域具有广阔的应用。但原状粉煤灰的净化效率较低，污水中磷的去除率在40%～60%。粉煤灰改性处理后可以使吸附性能提高，减少处理流程中污泥的含量，并且改性过程简单方便。本文采取高温活化后再进行酸处理的方式对粉煤灰进行改性，可溶蚀铝硅酸盐玻璃微珠，提升微珠的比表面积和吸附能力，同时释放出具有化学除磷功能的铝盐、铁盐和具有助凝功能的活化硅酸等物质，获得成本较低，附加值较高的深度污水除磷剂，下面我们将探讨这种深度污水除磷剂的制备方法，及其对二级出水中可溶性正磷酸盐的去除效果。

1、粉煤灰的改性

1.1原粉煤灰成分如表1所示：

1.2改性工艺

将粉煤灰与碱性活化剂在高速混合机中混合均匀后投入焙烧炉中煅烧活化，再将焙烧后冷却的物料投入耐酸反应罐中，添加酸改性剂后反应，将反应后的物料烘干磨细即制成粉末状的深度污水除磷剂。由此可见深度污水除磷剂的制备过程包括活化剂投加、煅烧活化、酸处理等3个步骤。为优化改性工艺，达到较好的除磷性能，进行正交试验，考虑到成本问题，选用价格低廉的NaCl和15%H2SO4为活化剂和改性剂，考察盐灰比(NaCl与粉煤灰的质量比)、煅烧温度、酸灰比(酸溶液体积与粉煤灰质量之比)3因素对除磷效果的影响，每个因素取4水平。

1.3改性试验结果

进行正交试验，结果显示：随着盐灰比的上升，K值先上升后下降，在盐灰比为1:20时，K值较大;随着煅烧温度的上升，K值上升，在煅烧温度为900℃时K值较大;随着酸灰比的上升，K值先上升后下降，在酸灰比为3:1时，K值较大。由此确定优化改性工艺参数为盐灰比1:20，煅烧温度900℃、酸灰比3:1。此后试验所用AFA都采用此工艺制备。

2、深度污水除磷剂对二级出水中磷的去除

试验用水取自上海闵行区污水处理厂二沉池出水，可溶性正磷酸盐的质量浓度为0.5～2.5mg/L。准确称取一定量的深度污水除磷剂置于1L烧杯中。加入二级出水1L，快速搅拌后取样，采用钼锑抗分光光度法测定可溶性正磷酸盐浓度。

3、机理分析

普遍认为.粉煤灰主要通过物化吸附作用除磷，但单位除磷量较低，小于1mg/g，阎存仙等的试验表明，在模拟废水含磷的质量浓度为50～120mg/L，投加粉煤灰量400-500g/L时，单位除磷量仅为0.1～0.3mg/g;张警声等的试验结果也在0.017-0.02mg/g之间变动;另一方面，粉煤灰富含铝、铁、硅等元素。具有潜在的除磷性能.因而相会强等利用酸处理粉煤灰.在原水PO43-的质量浓度为8.38mg/L，投加改性粉煤灰量为5g/L时，去除率达到95.7%～98.2%，此时粉煤灰的吸附量提高为1.6mg/g，并认为改性粉煤灰的除磷机理是酸改性后溶出的铝、铁的混凝沉淀的作用、硅酸凝胶等高聚物的助凝作用以及粉煤灰颗粒的吸附、沉淀作用、改性后比表面积增加等效果的综合效应。本文采取了高温活化后再进行酸处理的方式对粉煤灰进行改性，可将单位除磷量大幅度提升到19mg/g，由图4知，活化前粉煤灰的晶相成分主要有石英、莫来石、赤铁矿，同时在22～35℃的区域出现宽大衍射特征峰，表明玻璃体的存在。这是因为粉煤灰主要由各种大小不一的颗粒构成.这些颗粒主要是玻璃微珠，含量达70%以上，它的成分主要是无定形的SiO2和Al2O3，因而它的化学活性较高;另外石英、莫来石、赤铁矿的含量也占了整个粉煤灰的30%一40%，它们以晶体的形式存在，因而化学活性较低。为充分利用粉煤灰中的铝化合物、铁化合物和硅酸盐，必须促使玻璃微珠溶解和破坏石英、莫来石、赤铁矿的晶相结构.使其释放出无定形的除磷物质。对比煅烧活化后的XRD图谱可以发现，石英、莫来石的特征峰峰值下降，这说明在高温和活化剂的作用下，使得Si02和Al2O3之间的结合键能大为减弱，从而破坏了它们的晶相结构。为除磷物质的释出创造了条件。因此，初步认为经该工艺处理后，铝硅酸盐玻璃微珠被溶蚀，充分释放出具有化学除磷功能的铝盐、铁盐和具有助凝功能的活化硅酸等物质是除磷性能提升的主要原因。另一方面，除磷试验结果表明，深度污水除磷剂较佳除磷pH值为6.5，但已有的研究认为，硫酸铝除磷的较佳pH值范围在5-6；硫酸铁除磷的较佳pH值为5，与之都略有差距，因此虽然可以确定深度污水除磷剂的除磷效应与改性后溶出的铁铝有关，但铁铝的具体反应形态有待进一步探索。

4结论

①以NaCl为活化剂，15%H2S04为改性剂制备深度污水除磷剂，优化后的改性工艺参数为盐灰比1:20、煅烧温度900℃、酸灰比3:1。

②将深度污水除磷剂用于去除二级出水中的磷，15s后除磷过程基本完成，当投加量为80mg/L以上时，处理出水磷的质量浓度低于1mg/L，其除磷pH值范围与实际污水相符，较佳除磷pH值为6.5。

③与粉煤灰相比，深度污水除磷剂的除磷性能显著提升，约为粉煤灰投加量l/20时即可达到与之相当的除磷效果。

④分析衍射图谱表明，煅烧活化处理可破坏粉煤灰玻璃微珠的晶相结构，为铝、铁等除磷物质的释放创造条件。