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聚合鈦鐵凈水劑混凝沉降技術(shù)

混凝是水處理中非常重要的物化處理方法,混凝劑是影響混凝效果的最主要因素。鋁鹽混凝劑因?yàn)樘幚硇Ч麅?yōu)異而得以廣泛應(yīng)用,但其殘留在水中的鋁元素會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒害作用,且形成的污泥沉降速度慢、含水率高、不易脫水,給后續(xù)的污泥處理造成了很大困難。近些年來(lái),城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展迅速,污水、污泥的產(chǎn)量都急劇增加。污泥處理作為污水處理的一部分,其處理費(fèi)用約占整個(gè)污水廠運(yùn)行成本的25%~50%,甚至有些高達(dá)65%以上,因此減少污泥體積對(duì)于節(jié)省污水廠運(yùn)行成本具有重要意義。基于上述問(wèn)題,尋求一種高效且沉降性能優(yōu)異的混凝劑具有非常大的研究?jī)r(jià)值。

  鈦?zhàn)鳛橐环N“親生物金屬”,對(duì)人體無(wú)害,且儲(chǔ)量豐富大量研究表明鈦鹽混凝劑在污水處理中效果優(yōu)異"切,對(duì)于有機(jī)物的去除率高于聚合氯化鋁(polyaluminumchloride,PAC)。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)鈦鹽混凝劑相比于PAC具有更好的污泥沉降性能,但迄今為止,對(duì)于聚合型鈦鹽混凝劑污泥沉降性能研究的文獻(xiàn)尚不多見(jiàn)。本實(shí)驗(yàn)利用鈦鐵礦制得了聚合鈦鐵凈水劑(I-PTF),并與PAC進(jìn)行對(duì)比,對(duì)I-PTF微觀特性、處理生活污水的效果、污泥沉降性能和絮體形貌特征進(jìn)行研究,旨在開(kāi)發(fā)一種高效、利于污水廠化學(xué)污泥減量的新型有效混凝劑。

  一、材料與方法

  1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

  氫氧化鈉、硫酸、鄰菲啰咻、硫酸亞鐵錢(qián)、硫酸銀、鹽酸、二安替毗咻甲烷、抗壞血酸均為分析純;重鎔酸鉀為優(yōu)級(jí)純;固體PAC(工業(yè)級(jí),w(A12O3)=29%)購(gòu)自河南鞏義;鈦鐵礦來(lái)源于濟(jì)南裕興化工有限責(zé)任公司,主要成分為FeTiOs,其中w(TiO2)為46%~49%,w(Fe)為47%~50%。

  2100AN臺(tái)式濁度儀(美國(guó)哈希公司);ZR4-6型六聯(lián)攪拌儀(深圳中潤(rùn)水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司);PB-10型pH計(jì)(德國(guó)賽多利斯科學(xué)儀器有限公司);TU-1900雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器公司);ECLIPSE80i熒光顯微鏡(日本尼康公司);日立S-2500掃描電子顯微鏡(日本日立公司);D8ADVANCE型X射線衍射儀(德國(guó)布魯克公司)。

  1.2實(shí)驗(yàn)方法

  1.2.1I-PTF的制備與微觀特性

  1.2.1.1制備

  將10g鈦鐵礦粉末加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的熱濃硫酸中,待完全反應(yīng)后加入一定量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的稀硫酸,過(guò)濾,獲得濾液。在攪拌條件下,將一定量的17mol/L氫氧化鈉加入到上述濾液中,控制pH為1.0,在45V下加熱15min后,室溫下靜聚24h,得到紅棕色液體,即I-PTF凈水劑。利用二安替毗咻甲烷法和鄰菲啰咻比色法測(cè)出I-PTF凈水劑中TiO2和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.06%,13.04%,I-PTF凈水劑密度為1.38X103kg/m3。將制備好的I-PTF凈水劑置于70V的烘箱中干燥24h,研磨后得到粉末狀固體I-PTF。

  1.2.1.2微觀特性

  為表述I-PTF微觀特性,分別采用SEM和XRD分析I-PTF表面形貌與物相特征。SEM的加速電壓為10kV,放大倍數(shù)分別為5000倍和8000倍。XRD的額定功率3kW,Cu靶-陶瓷X光管,掃描速度為1000(°)/min。

  1.2.2混凝實(shí)驗(yàn)

  采用燒杯實(shí)驗(yàn),以PAC為對(duì)比分析I-PTF對(duì)生活污水的處理效果。生活污水取自濟(jì)南大學(xué)中水站的進(jìn)水口:濁度74.6-182NTU,色度1.12-1.14CU,pH8.16-8.45,溫度15-16.5℃,CODCr(Cr的化學(xué)需氧量)620.5?654.2mg/L。

  取250mL水樣置于六聯(lián)攪拌儀上,投藥量為96-216 mg/L(I-PTF以水樣中鈦含量計(jì),PAC以水樣中鋁含量計(jì))。設(shè)定混凝程序如下:200r/min攪拌1min,60r/min攪拌10min,40r/min攪拌5min,靜沉15min,然后從距上清液液面2cm處取出水樣進(jìn)行濁度、色度以及CODCr的測(cè)定,測(cè)定3次,取平均值作為終值。其中濁度、色度通過(guò)美國(guó)哈希2100AN臺(tái)式濁度儀直接測(cè)定,CODCr的測(cè)定方法采用傳統(tǒng)的重鎔酸鉀法測(cè)定。

  1.2.3污泥沉降實(shí)驗(yàn)

  1.2.3.1污泥體積及沉降速度

  污泥體積與減量率:污泥體積為具有明顯泥水分界面的污泥總體積。由于I-PTF污泥體積人噸變化較小,故增大投藥量間隔,投藥量為96~336mg/L。將攪拌結(jié)束后的水樣移至250mL量筒中,沉降15min,觀察污泥體積。然后以PAC的污泥體積VPAC為基準(zhǔn),按照式(1)計(jì)算I-PTF的污泥減量率。

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  污泥沉降速度:對(duì)于上述投藥量為144m^L的實(shí)驗(yàn)水樣,分別記錄沉降5,8,11,14,17,20min時(shí)的污泥體積,對(duì)比分析I-PTF與PAC的污泥沉降速度。

  1.2.3.2污泥形貌

  采用FM(熒光顯微鏡)對(duì)比研究上述投藥量為144 mg/L的I-PTF與PAC的污泥形態(tài)?;炷Y(jié)束后的取出污泥,在相同條件下將其導(dǎo)入到玻璃片上,拍照,放大40倍。

  二、結(jié)果與討論

  2.1I-PTF微觀特性分析

  2.1.1表面形貌

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  1表面形貌圖1為I-PTF與PAC的SEM照片。從圖1看出,I-PTF與PAC的表面形貌相差較大。PAC的表面較為光滑、孔隙較少。而I-PTF的表面具有非常多的棒狀和不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu),相互堆疊聚集形成粗糙且多孔的表面形貌,同時(shí)還分布著許多較小的附著于表面或鑲嵌于孔隙中的顆粒狀晶體物質(zhì),使得I-PTF表面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,具有更大的比表面積。由此可推斷I-PTF具有良好的吸附能力。

  2.1.2I-PTF物相特征

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  圖2為I-PTF和PAC的XRD譜圖。從圖2看出,I-PTF和PAC的XRD譜圖都體現(xiàn)出很大的不規(guī)則度,但I(xiàn)-PTF的不規(guī)則程度更大,并且I-PTF有許多尖銳的峰和峰位較為平緩的“饅頭峰”。有研究表明非晶體的衍射圖主要是由“饅頭峰”構(gòu)成,而晶體的衍射圖則是由許多尖銳的峰組成。所以可以得知I-PTF的晶相含量很高,可能有許多無(wú)定型的金屬聚合物。經(jīng)軟件分析,樣品中主要是Na3H(SO4)2的特征峰,并未檢測(cè)出有Ti、Fe等金屬元素的氧化物(Fe2(S04)3,F(xiàn)e2O3、Fe(0H)3,F(xiàn)e(OH)2,F(xiàn)e3O4,TiO2,TiOSO4,Ti(0H)4),由此可推斷,Ti、Fe已經(jīng)參與了聚合反應(yīng),形成了新的共聚物,并不是單獨(dú)自聚后的簡(jiǎn)單混合。

  2.2I-PTF混凝效果

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  圖3為I-PTF與PAC處理生活污水的效果隨投藥量(96~216mg/L)的變化,以濁度、色度、COD的去除率為主要分析指標(biāo)

  從圖3看出,隨著投藥量的增加,I-PTF處理的濁度、色度和CODCr去除率都呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。在投藥量達(dá)到192mg/L后,色度去除率達(dá)到最大值89%,濁度和CODCr去除率為91%和69%,雖未達(dá)到最大值,但上升趨勢(shì)明顯變緩,綜合考慮可認(rèn)為192mg/L為其最佳投藥量。從圖3還看出,PAC處理對(duì)于濁度、色度的去除效果優(yōu)異,但對(duì)于CODCr的去除效果較差,不超過(guò)60%,這也是鋁系混凝劑的缺點(diǎn),即對(duì)有機(jī)物的去除效果較差。而I-PTF對(duì)于CODCr的去除率明顯優(yōu)于PAC,在投藥量為168mg/L時(shí),I-PTF對(duì)于CODCr的去除率比PAC咼出22%。

  2.3I-PTF沉降性能

  污泥沉降性能對(duì)于混凝效果和污泥處理處置均十分重要,下面針對(duì)污泥體積、污泥沉降速度及絮體形貌進(jìn)行研究。

  2.3.1污泥體積與沉降速度

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  圖4為I-PTF與PAC投加量與沉降15min后污泥體積的關(guān)系,以及以PAC污泥體積為基準(zhǔn)時(shí)I-PTF的污泥減量率。圖5為投藥量為144mg/L時(shí),污泥體積隨沉降時(shí)間(5~20min)的變化。

  從圖4看出,隨著投藥量的增加,I-PTF和PAC處理的污泥體積都呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但PAC處理的污泥體積都在70mL以上,最高達(dá)到128mL,而I-PTF最高只有25mL,遠(yuǎn)低于PACO通過(guò)污泥減量率曲線可更加直觀地看出I-PTF處理相對(duì)于PAC處理的污泥減少程度,在整個(gè)投藥量范圍內(nèi),I-PTF的污泥減量率一直很高,保持在80%以上,在投藥量為144mg/L時(shí)達(dá)到最大(85.9%)。

  圖5中,沉降時(shí)間為0時(shí)的污泥體積表示攪拌完成時(shí)的污泥體積,此時(shí)水樣處于混合態(tài),未發(fā)生污泥沉降,因此污泥體積以水樣體積(250mL)計(jì)。沉降5min后,PAC處理的污泥體積高達(dá)240mL,并且隨沉降時(shí)間的增加,沉降速度非常緩慢,導(dǎo)致污泥體積減少緩慢,沉降20min后仍為129mL。而I-PTF處理的沉降5min后就降至20mL,且之后體積基本不再減少,11min時(shí),污泥體積不再變化,表示沉降完成,此時(shí)為18mL。由此可見(jiàn),I-PTF處理污泥沉降速度遠(yuǎn)高于PAC,這對(duì)于減少水廠沉淀池占地面積具有重要意義。

  2.3.2污泥的實(shí)際形貌特征

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  由圖6看出,I-PTF絮體顆粒聚集在一起,相互連接形成較大的污泥結(jié)構(gòu),顏色較深,說(shuō)明污泥層層堆疊,連接緊密。而PAC絮體顆粒之間相距較遠(yuǎn),主要以松散的分散形式存在。由此可見(jiàn),I-PTF處理污泥與PAC相比具有更好的黏附性,絮體顆粒尺寸也更大,這也是I-PTF具有更好的沉降性能和沉降速度的原因。從圖6還看出,PAC的絮團(tuán)近乎透明,邊界不清晰,說(shuō)明PAC污泥含水率很高,導(dǎo)致圖像十分模糊。而I-PTF絮體顆粒形態(tài)清晰,絮體顆粒相互連接形成的污泥邊界清晰可見(jiàn),表明I-PTF處理的污泥含水率與PAC相比大為降低。

  I-PTF的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的吸附性能,從而能夠表現(xiàn)出良好的混凝處理效果(圖3)。此外,由2.1.2的分析可知I-PTF是多種金屬元素的共聚物,與PAC的單一金屬元素相比,具有更強(qiáng)的疏水性,因此產(chǎn)生的污泥更加致密、體積更?。籌-PTF復(fù)雜的表面形貌使其與污染物的結(jié)合更為緊密,從而所形成污泥的沉降性能更為優(yōu)異,顯示出了很好的優(yōu)越性,是解決“污泥圍城”現(xiàn)象的重要研究方向之一。

  三、結(jié)論

  I-PTF表面形貌復(fù)雜,各種棒狀和塊狀結(jié)構(gòu)使其表面粗糙多孔,極大地增強(qiáng)了對(duì)顆粒污染物的吸附能力;并且XRD譜圖表明原料中鈦、鐵參與聚合反應(yīng)形成了多金屬聚合物。

  I-PTF對(duì)于濁度、色度的去除率均低于PAC,但是對(duì)于有機(jī)物的去除效果明顯優(yōu)于PAC,在投藥量為168mg/L時(shí),對(duì)CODCr的去除率比PAC高出22%。I-PTF的最佳投藥量為192mg/L,此時(shí)的濁度、色度以及CODCr去除率分別為91%、89%和69%。

  I-PTF處理的污泥體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PAC,減量率達(dá)到80%以上;并且I-PTF處理的污泥沉降速度也遠(yuǎn)比PAC要高,11min左右即可沉降完成,沉降完成后的污泥體積為18mL,而PAC在沉降20min后的污泥體積仍然高達(dá)100mL以上。通過(guò)污泥絮體的顯微鏡照片可以看出,I-PTF形成的絮體連接緊密,絮體連接形成的絮團(tuán)尺寸較大,而PAC的污泥絮體相距較遠(yuǎn),絮團(tuán)結(jié)構(gòu)松散,這也是I-PTF的污泥沉降性能更好的原因。

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