改性钢渣的制备及其吸附除磷性能

摘要：研究了改性钢渣吸附除磷影响因素、等温吸附线特征和吸附动力学，并对生物处理后的出水进行吸附除磷研究。结果表明：在初始磷舛10mg/L，投加量10g/L、pH为7时，改性钢渣吸附后总磷浓度为0.687mg/L，去除率达93%；改性钢渣对磷的吸附符合Langmuir模型，理论饱和吸附量是1.977mg/g，吸附动力学符合准二级动力学模型（R2>0.99）；实际生活污水的吸附除磷中，投加量为50g/L，反应2h后出水总磷浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标的排放要求。

关键词：污水处理；除磷；吸附；改性钢渣

中图分类号：TQ424.2

文献标志码：A

文章编号：1674-4764（2016）06-0129-06

磷不同于碳、氮，在自然界的循环是不可再生的，因此，如何从废水中去除并回收磷资源是目前研究的重要课题。目前，除磷方法主要有化学沉淀法、生物法、吸附法等。化学除磷不管是在除磷量还是除磷效果方面，都有很显著的优势，但实际应用中存在药剂投加量大、污泥难处理等不足；生物法除磷稳定性差且处理效果差，难以达到国家标准。吸附除磷是通过具有大比表面积、多孔隙的物质对水中PO34-的亲和力实现除磷过程，具有工艺简单、处理成本低、运行可靠等优点。既可以作为生物除磷后的强化处理，也可以作为单独除磷方法。另外，通过解吸作用将吸附后的磷进行回收，实现资源的重复利用。

吸附除磷的关键是找到一种吸附容量高、速度快、价格低廉的吸附剂。目前采用较多的吸附剂有：沸石、粉煤灰、钢渣、硅藻土等，其中钢渣是钢铁工业中的副产物，含有Ca、Fe、Al、si等金属氧化物，其特点是密度大、孔隙多、固液分离速度快、来源广泛且廉价。开发钢渣在废水治理中的应用是一种经济且有效的方法，对废水除磷有重要的意义。

1材料与方法

1.1材料与仪器

钢渣：来源于重庆钢铁（集团）有限责任公司，80目筛分后用蒸馏水清洗干净烘干备用。

仪器：TUl901紫外一可见分光光度计、pHs-3C型精密酸度计、手提式不锈钢高压灭菌锅、OTF-1200X开启式真空管式炉、XMTD-8222水浴恒温振荡器、HDL-4台式电动离心机、XRF-1800型X射线荧光光谱仪。

试剂：磷酸二氢钾、浓硫酸、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、盐酸、氢氧化钠、均为分析纯。

含磷实验用水：用KH2PO4（分析纯）配置50mg/L的贮备液备用。

生活污水：采用经生物滤池一生物接触氧化处理后的出水。

1.2实验方法

1.2.1钢渣改性用3mol/LNaOH溶液浸泡烘干后的钢渣24h，再于开启式真空管式炉中700℃下煅烧1h。改性后钢渣的主要化学成分经XRF分析，结果见表1。

1.2.2除磷实验

称取一定量的改性钢渣于250mL具塞锥形瓶中，并加入含磷废水100mL，调节pH，在恒温摇床中以150r/min的速度振荡一定时问后，在3500r/min下离心5min，取上清液。

1.2.3总磷含量测定用《钼酸铵分光光度法》（GBll893-89）测水中总磷含量。吸取上清液适量于50 mL具塞比色管中，加入过硫酸钾稀释至25mL刻度线，于手提式不锈钢高压灭菌锅中120℃下消解30min；冷却至室温后依次加入抗坏血酸和钼酸盐，用紫外分光光度计测定吸光度值，根据标线算出水中总磷含量。

2.结果与讨论

2.1.1初始磷浓度对吸附的影响初始含磷质量浓度为：5、10、15、20和25mg/L时，分别加1g改性钢渣，调节pH=7，于恒温摇床中振荡吸附30min，改性钢渣对磷的去除效果见图1。

图1表明，随着初始磷质量浓度的增加，钢渣对磷的吸附量越来越大。主要是由于初始磷质量浓度越高，可供钢渣吸附的磷越多；同时，含磷废水本身和钢渣外表面液膜之问的浓度差越大，磷向钢渣表面迁移的动力就越大。因此，增大磷质量浓度有利于提高钢渣的吸附作用。但钢渣对磷的去除率却呈先增后减的趋势，这主要是由于随着初始磷质量浓度的增加，钢渣吸附量增大，逐渐达到饱和，对磷的吸附效果减弱。因此，可以认为，1g改性钢渣的最大吸附能力为100mL质量浓度为15mg/L的含磷废水。

2.1.2钢渣投加量对吸附的影响初始磷质量浓度为10mg/L时，分别取改性钢渣投加量为0.2、0.6、1.0、1.4和1.8g，调节pH=7，于恒温摇床中振荡吸附30min，对磷的去除效果见图2。

图2表明，随着钢渣投加量的增大，磷的吸附量逐渐降低，去除率却逐渐增大。主要是由于吸附时间较短，吸附未达到饱和，所以去除率增大。随着投加量继续增大，残余磷含量不断减少，吸附过程逐渐达到平衡，吸附量和去除率也趋于稳定。综上，在吸附时间为30min时，选择较佳的改性钢渣投加量为1g/100mL。

2.1.3初始pH对吸附的影响初始磷质量浓度为10mg/L，投加量1g，改变初始pH为：4、5.5、7、8.5和10，吸附30min后对磷的去除效果见图3。

金属离子和废水中PO34-结合，形成相应的磷酸盐沉淀物。但Ca、Mg、Fe等氧化物在低pH时溶解度很大，难以吸附在钢渣表面，亦难以发生离子交换，不利于钢渣除磷；随着pH增至碱性条件下，OH-浓度增加，式（3）反应向左进行，不利于磷酸盐沉淀物生成。因此，在pH=5.5～7.5范围内，离子交换和化学沉淀共同作用的效果最好，磷去除效果最佳。这与Xiong等的研究结果一致。

2.2吸附等温线

改变KH2PO4初始磷质量浓度为1、5、10、15、20、30、40、50、60mg/L，各投加80目改性钢渣1g，

2.3吸附动力学

称取80目改性前后的钢渣各1g分别加入250mL具塞锥形瓶中，初始磷浓度为10mg/L的KH2PO4溶液100mL，调节pH=7，进行振荡吸附，分别在5、15、30、45、60、90、120、180、240、360、480min取出，离心取上清液测总磷含量。

可以看出，钢渣改性前后qe与测定的平衡吸附量均比较接近，表明钢渣除磷的吸附动力学可以用准二级模型很好的表示，这与相关文献结果一致。

计算0.1mol/L的Na2CO3解吸后的钢渣吸附再生率达40.56%，表明Na2CO3是很好的解吸附剂，同时，改性钢渣作为吸附剂可以很好的重复利用。

2.5改性钢渣对生活污水的除磷研究

重庆大学B区学生宿舍生活污水经生物滤池――生物接触氧化处理后，取其尾水进行吸附强化除磷实验。分别取80目改性钢渣1、3和5g于250mL具塞锥形瓶中，加人生物处理尾水100mL，振荡吸附，分别在15、30、60、90、120、180、240、360、480min取出，离心取上清液测出水总磷含量。

测定生物处理尾水总磷浓度为14.1mg/L，初始pH为7.1l。前述pH对除磷效果的影响中得知，在pH=5.5～7.5范围内，改性钢渣对磷的去除效果最佳，故实际污水处理中pH可不做调整就在改性钢渣除磷效果最佳范围内，实验结果见图6。

图6（a）可以看出，不同投加量下，随着吸附时问的延长，出水总磷浓度均不断降低，这与前述模拟废水除磷实验结果相吻合。另外，随着投加量的增大，出水总磷质量浓度越低。投加量5g时，在吸附120min后出水总磷质量浓度就降到了1mg/L以下，达到一级B标的排放要求；而投加量1g时的效果不如模拟废水处理效果好，这主要是由于实际生活污水体系比KH2PO4模拟废水复杂，废水中除了含磷物质，还含有氮、有机物和重金属离子等，因此，综合处理难度会加大。图6（b）中去除率的变化与图6（a）结果相一致，随投加量增大，吸附平衡后，改性钢渣对总磷的去除率分别达到85.52%、91.59%和94.96%。说明，改性后钢渣可以应用于低磷含量的生活污水强化除磷处理，并取得很好的处理效果。

3.结论

1）改性钢渣除磷能力受初始磷质量浓度、钢渣投加量及初始pH的影响。初始磷质量浓度越大、钢渣投加量越大，除磷效果越好；除磷最佳pH范围为5.5～7.5。

2）改性钢渣对磷的吸附符合Langmuir模型，理论饱和吸附量是1.977mg/g。吸附动力学符合准二级动力学模型（R2>0.99），是一个“快速吸附，缓慢平衡”的过程。

3）改性钢渣经0.1mol/L的Na2CO3溶液解吸后，解吸附率84.2%；再次循环吸附时，吸附再生率达40.56%，可作为重复利用的除磷吸附剂。

4）生物处理一钢渣吸附组合工艺对含磷量较低的生活污水具有很好的除磷效果，钢渣投加量为50g/L时，吸附平衡时出水总磷质量浓度为0.71mg/L