改性活性炭对污水厂尾水深度处理的实验研究

Posted 2023-01-12 活性炭

篇首语：知识是种子，而好奇则是知识的萌芽。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了改性活性炭对污水厂尾水深度处理的实验研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

针对城市污水处理厂的尾水，研究改性活性炭吸附对其中污染物的去除效果。用硝酸对粉末活性炭进行改性处理，以聚合氯化铝为混凝剂，对原水进行预处理。对活性炭改性前后进行表征，研究其对水体中污染物的去除效果，讨论改性活性炭投加量、pH值、吸附时间等因素对改性活性炭吸附效果的影响。结果表明：活性炭改性后各水质指标的去除率均有显著提高。改性活性炭的最佳投加量、pH、吸附时间分别为1.0g/L、7、300min。水质指标TCOD、DCOD、NH3-N、TP的去除率分别可达80.7%、71.7%、66.4%、90.3%。
DOI：10.3969/j.issn.1671-6396.2013.03.010
我国城镇污水处理厂普遍采用以去除悬浮物和有机物为主的二级生物处理工艺，其尾水中仍残留部分溶解性物质或难生物降解物质，排入水体后会对地表水造成一定程度的污染。因此，城市污水深度处理工艺的研究和开发逐渐成为研究热点。活性炭对大分子有机物、芳香族化合物和卤代烃均具有较强的吸附能力，是去除水中嗅味、有机物及其他微污染物质的有效药剂，并且不存在二次污染、可再生。普通活性炭的灰分高、孔容小、微孔分布过宽、比表面积小、吸附选择性能差，加上其表面官能团及电化学性质的一些限制，使其对污染物的吸附去除作用有限。有必要对其结构和性质进行改性，以增大其吸附能力，缓解水污染压力。用活性炭直接处理水的成本相对较高，而混凝是去除胶体和悬浮颗粒的重要工艺，能创造有利于活性炭吸附的条件，延长其使用寿命。本文用聚合氯化铝为混凝剂对原水进行预处理，研究改性活性炭对污水处理厂尾水中污染物的去除效果及其影响因素。
1.试验材料与方法
1.1原水水质
原水为合肥经济技术开发区污水处理厂二沉池出水，其水质如表1所示。

1.2实验仪器和材料
1.2.1实验仪器和试剂
ZR4-6型混凝搅拌机、pHB-4型便携式pH计、721分光光度计、CR3200消解仪、X-650型扫描电镜、FTIR-7600型傅里叶红外光谱仪等。
过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、溴百里酚蓝指示液(pH6.0～7.6)、酒石酸钾钠、邻苯二甲酸氢钾、重铬酸钾等，上述试剂均为分析纯。
1.2.2实验材料
混凝剂：聚合氯化铝(巩义市某净水材料厂生产)。活性炭：果壳炭，粒度范围0.043～0.246mm，BET比表面积533.89m2/g，亚甲蓝值135mg/g，碘值900mg/g。
1.3测定指标与方法
测定指标：CODcr、NH3-N、TP，测定方法均采用国标法。
1.4试验方法
1.4.1改性活性炭制备及表征
称取25g粉末活性炭置于250mL浓度为10%的硝酸溶液中，在50℃下恒温振荡反应8h[4、5]，后用蒸馏水反复冲洗改性后的活性炭，直至洗出液pH值呈中性不再变化为止，在105～110℃的烘箱中烘干10h，即得到相应的改性活性炭，置于干燥器中备用。活性炭改性前后用SEM形貌和红外光谱进行表征。
1.4.2原水的预处理
以聚合氯化铝(PAC)为混凝剂，选用50mg/L的PAC投加量对原水进行预处理[7、8]。预处理后TCOD、DCOD、NH3-N、TP的值分别为25.3mg/L、17.8mg/L、11.5mg/L、0.4mg/L。
1.4.3改性活性炭吸附实验
250mL锥形瓶中，加入一定量的活性炭于100mL混凝处理后的水中，在25℃恒温振荡器中振荡50～350min，过滤后测定有关指标，并根据吸附前后指标值的变化进行分析研究。
2.实验结果与讨论
2.1粉末活性炭改性前后性能表征
2.1.1活性炭改性前后的SEM形貌
改性前后活性炭的X-650型扫描电镜图(见图1)。活性炭改性前表面杂质较多，并且很多孔道被杂质堵塞。而活性炭改性后，表面形成了更多的微孔及一定的过渡孔和大孔，除去了一些堵塞孔隙的灰份，微孔结构更加丰富。原有的孔隙直径增大，在高温下产生了新的细微孔，孔壁的酸蚀使孔与孔相通，形成了许多新孔隙，使表面积增加，孔道更加通畅从而保证了污染物更加容易进入活性炭的中孔和微孔，增加了其吸附容量。

2.1.2活性炭改性前后的红外光谱表征
由图2可知，活性炭改性前后的红外谱图中在3450cm-1左右都有明显的谱峰，可归结为活性炭的表面酚羟基或者吸附水的存在。另外，在1275cm-1的环醚的C-O伸缩振动峰减小，在1070cm-1左右的谱峰归结为C-O-C不对称伸缩振动减小，而1550cm-1处的C=O伸缩振动峰逐渐增强，同时归因于C=C的1640cm-1谱峰减弱了。这些表明氧化处理后表面含氧官能团的结构发生了变化，活性炭表面的部分C=C在HNO3作用下，发生了氧化反应，然后生成的某些含氧基团再进一步氧化成羰基及其衍生基团，使表面含氧基团增多。

2.2活性炭改性前后吸附效果比较
由图3可知，改性活性炭比活性炭各指标的去除率都有明显提高。改性活性炭比活性炭净水效果好，其原因是活性炭经过硝酸氧化改性后，改变了活性炭的孔隙结构、比表面积、容积降低、孔隙变宽，使其表面含氧基团数量增加，表面极性增强，可提高对水中亲水性有机物的吸附效果。

2.3改性活性炭吸附效果影响因素
2.3.1投加量对吸附效果的影响
由图4可知，改性活性炭的加入使各指标的去除率都有所提高，随着活性炭的投加量加大，各项指标的去除率都是增大的，并且在达到峰值后趋于平缓。这是因为原进水中的可以被吸附的物质的浓度一定，最初随着吸附剂改性活性炭量增多，去除率增加，也就是说明污水中的物质不断地被吸附，水质得到改善。再增加改性活性炭的量时，改性活性炭相对于被吸附物质是过量的，吸附剂表面很大部分是空的，对于去除率已经没有太大的贡献了，所以曲线趋于平缓。当改性活性炭的加入量是1.0g时，去除率相对最高。

2.3.2pH值对吸附效果的影响
由图5可知，pH值对吸附作用影响较大。在酸性介质中，吸附效率较低；在中性范围内，有较高吸附效率。虽然活性炭的吸附以物理吸附为主，但由于表面各类官能团、含氧基团的存在，也进行一些选择性的化学吸附。在污水的处理中，pH值起着调节吸附质离子化程度的作用，且控制着某些污染物的离解度和溶解度。根据磷酸三级解离可以得出，pH=3时，水中磷的形态以H2PO4-占优势，随着pH值的升高，逐步以带负电的HPO42-、PO43-占优势，这都增加了与活性炭表面发生离子交换的机会[12、13]。

2.3.3吸附时间对吸附效果的影响

在最佳pH和最佳投加量下，吸附时间在50～350min时的处理效果如图6所示。随吸附时间的增加，TCOD、DCOD、NH3-N、TP的去除率逐渐增加，达到300min后，质量浓度基本无变化。活性炭对有机物的吸附是一个物理吸附过程，由于活性炭表面有丰富的微孔，可对有机物进行有效吸附，因此在一定时间内可以达到吸附平衡。当吸附达到饱和状态时，吸附率不再有明显变化。开始吸附速度很快是因为有机物在活性炭上的吸附主要发生在外表面上；随着吸附时间的延长，吸附速度变缓，但去除率逐渐增大，这是因为随着吸附的进行，吸附质进入活性炭微孔内，由于有机物在内孔中传质速度缓慢，但吸附容量随时间缓慢增加，直至达到吸附平衡。
2.4最适实验条件下改性活性炭吸附效果
由表2可知，在最适混凝、吸附条件下，处理出水COD、TP、NH3-N均达到《城市污水再生利用景观环境用水水质(GB/T18921-2002)》标准，水质较二沉池出水(《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》二级标准)大幅度提高。水质处理前后对比如图7所示。

3.结论
(1)硝酸对粉末活性炭的表面改性，使活性炭的孔隙结构在破坏的同时也不断生成、比表面积增大，改性活性炭比活性炭对污染物的去除率有显著提高。
(2)改性活性炭的吸附效果受投加量、pH值、吸附时间等因素影响明显，最佳值分别为1.0g、7、300min。
(3)改性活性炭与混凝技术联合应用，对城市污水处理厂的二级出水具有良好的处理效果。水质指标TCOD、DCOD、NH3-N、TP的去除率分别可达80.7%、71.7%、66.4%、90.3%，且处理效率高、技术可行。