铝盐混凝剂的制备及其在水处理中的应用研究

Posted 2023-01-12 水处理

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以印染废水处理污泥为主要原料，制备无机铝盐混凝剂，并对其混凝性能进行了研究。试验结果表明：该混凝剂具有良好的去除COD、浊度和色度的性能。用该混凝剂对改良AAO工艺出水处理后，COD、浊度和色度均达到《城市污水再生利用———工业用水水质》(GB/T19923-2005)要求。
混凝技术是目前世界上应用最广泛、最经济、效率最高的水处理技术。混凝剂是混凝技术中的关键，目前使用最广泛的有铝盐和铁盐两类混凝剂[1-3]，主要包括以下几类：低分子的明矾，硫酸铝，硫酸铁，硫酸亚铁，氯化铁。
剩余污泥一般处置方法为土地利用、焚烧和卫生填埋。但由于印染工艺要使用染料、浆料和助剂，其废水生物处理剩余污泥中含有一定量的重金属和病菌、病原菌、寄生虫卵等有害物质。重金属含量较高的污泥施于农田，会通过食物链与生物链的传递，对人类产生毒害作用[5-6]。污泥焚烧可以迅速和较大程度地减少污泥体积，有效解决其它方法中污泥占用大量空间的缺陷。污泥焚烧后，一些金属物质如铝和铁可以在泥渣中富集，回收这部分金属物质可达到污泥资源化利用。本研究以印染污泥为主要原料制备无机混凝剂硫酸铝，并对其水处理效果进行了研究，发现其有较高的浊度去除率，适应pH范围宽，投加量少，是一种具有广泛应用前景的无机混凝剂。
1.混凝剂的制备
1.1原料及成分分析
污泥采自于上海某印染厂。采集的剩余污泥自然风干锤碎，经马弗炉在600℃下焚烧2h，将焚烧残渣研磨并过100目筛，保存备用。采用ICP等离子体发射光谱法对焚烧前后的污泥所含有的主要金属元素进行分析，结果如表1所示。

1.2制备原理及工艺
由表1可见，污泥焚烧后残渣中主要含有铝、钙和铁。采用XRD衍射分析，发现焚烧前污泥的主要物相是A(lOH)3、Fe(OH)3、CaSO4等物质，焚烧后污泥的主要物相是Al2O3、Fe2O3等物质。焚烧后，除铅的浓度减少外，其它重金属在污泥焚烧残渣中均达到富集，残渣中铝和铁的浓度分别为焚烧前的1.6倍和2.1倍，分别高达248mg/g和41.9mg/g。铝和铁的含量占金属总量的84.85%，未发现砷、铬、镉、汞等有毒有害元素。由于铝和铁含量较高，可以考虑用强酸将残渣中的铝和铁溶出，再作为混凝剂使用。在硫酸等强酸作用下，可将氧化物中的铝铁等金属氧化物溶解，其主要酸溶反应如下：
Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O
制备工艺流程见图1。

1.3操作条件
(1)酸溶。硫酸与残渣的配比对酸溶操作的效果影响很大，配比过小，不易搅拌，溶出率低，配比过大，导致溶液中的游离酸太多，使最终产品的盐基度太低，影响混凝效果。为获得最佳的酸溶效果，并使硫酸得到充分利用，在相同条件下加入不同的硫酸进行酸溶试验，确定硫酸的加入量0.92mL/g灼烧残渣。
(2)酸溶时间和温度。酸溶温度为30℃，反应时间为3h为宜。
(3)液固比。液固比是参加反应的酸与水的体积之和与污泥灼烧残渣质量的比值。污泥灼烧残渣气孔较多，有一定的吸水性，因此液固比较小时，液体所占体积较小，不易使得反应搅拌充分。在其他实验条件相同前提下，本实验选择4～7mL/g进行液固比的优选试验，确定液固比为5mL/g作为反应的最佳液固比。
1.4产品
以污泥焚烧残渣为主要原料通过上述方法经过滤制得的混凝剂，其主要技术性能指标见表2。

2.混凝剂对印染废水处理的效果试验
2.1试验仪器和试验方法
(1)主要仪器和药剂。仪器：采用PHSJ-4A型酸度计测定水的pH值；用MY3000-6智能型混凝试验搅拌仪定时变速搅拌控制搅拌速度和搅拌时间；WCZ-1A散射光浊度仪测定水样的浊度；采用微波消解法测定水样的COD。药剂：混凝剂液体产品Al2O315.7%、Fe0.53%。
(2)试验方法。用MY3000-6智能型混凝试验搅拌仪在6个400mL烧杯中同时进行试验，加入一定量的混凝剂后先快速搅拌1min，再慢速搅拌20min，静置30min后，用移液管在同一水平面吸取水样进行分析测试。
2.2试验结果和讨论
(1)混凝剂投加量对印染废水的作用效果。水样取自上海某印染厂，废水中含有活性、硫化、酸性等多种染料，水色呈紫红色，原水COD浓度为299.04mg/L，色度为50倍，pH为9.22。取上述水样用自制的混凝剂进行处理，结果如图2所示。

从图2(a)可知，当投加量在0.2～1.2ml/L范围内增加时，废水的COD浓度去除效果明显，COD浓度随投加量的增加而减小，由299.04mg/L降低至168mg/L，COD的最高去除率达46.07%；由2(b)可知，混凝剂在上述投加范围内废水的浊度去除也很明显。混凝剂的投加量在0.2～1mL/L时，浊度随投加量的增大逐渐降低，之后略有增加，污水浊度从23.1NTU降低至0.9NTU，去浊率高达96.1%，最佳投加量为1mL/L。
(2)混凝剂投加量对改良AAO工艺出水的作用效果。取自上海某印染厂实际废水经实验室小试改良AAO装置处理后出水COD为55.44mg/L，pH为8.26，浊度为1.7NTU。考察制备的混凝剂对上述出水的作用效果，结果如图3所示。

从图3(a)可知，投加量在0.2～1.2mL/L范围内增加时，出水COD的去除率先增大后减小，投加量在0.4mL/L时COD的去除率达到最大值48.48%，COD浓度值从原来的55.04mg/L降至28.56mg/L，最佳投加量为0.4mL/L。由图3(b)可知，混凝剂的投加量在0.2～1mL/L时，浊度随投加量的增大逐渐降低，之后略有增加，出水浊度从1.7NTU降低至0.2NTU，去浊率高达88.24%，最佳投加量为0.8mL/L。改良AAO工艺出水经混凝剂处理后COD、浊度和色度达到了《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T19923-2005)要求。
3.结论
(1)以污泥为主要原料制备铝盐混凝剂，从技术上讲是可行的。产品具有制备工艺简单、原料易得等优点。不仅具有一定的经济效益，同时为污泥的综合利用开辟了一条途径。
(2)确定了污泥制备硫酸铝混凝剂的最佳操作条件：操作时间为3h、硫酸的添加量为0.92mL/g和固液比为5mL/g。
(3)产品对实际印染废水和经改良AAO工艺出水有明显的作用。改良AAO工艺出水经混凝处理后，COD、浊度和色度达到了《城市污水再生利用—工业用水水质》(GB/T19923-2005)要求。