蒸压加气混凝土碎料(CAAC)深度除磷的研究

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磷是水体富营养化主要的影响因素,若水环境中总磷浓度达0.2mg/L就会促进水体富营养化。而现在城镇污水处理厂二级出水含磷浓度在1mg/L左右,排入河流易引起水体富营养化。目前,水体深度除磷方法应用较多的是化学沉淀法和微生物法,但化学沉淀法药剂消耗量大、运行费用高及产泥量大,而微生物除磷工艺占地面积大、投资高且稳定性差。此外,由于磷肥的广泛使用,导致磷矿石资源大量的被开采并即将耗尽。因此,为满足不断提高的污水处理总磷排放标准、提高磷资源的回收与利用,探讨更为适用的深度除磷方法与材料显得尤为重要。  蒸压加气混凝土碎料(Crush Autoclaved Aerated Concrete,CAAC)是一种以钙质和硅质材料为基本组分、以化学发气方法形成多孔结构的水化硅酸盐材料。由于CAAC多孔、质轻而且含钙量丰富,初步实验发现其具有良好的深度除磷效果。因此本论文以静态、改性和动态三种实验相结合的方式对CAAC深度除磷方式、过程和机理进行了系统研究,研究内容如下:  (1)在静态研究中,考察了蒸压加气混凝土粉末(过100目筛)对1mg/L模拟含磷废水的处理效果,研究了pH值、钙离子浓度对其深度除磷效果的影响。同时采用不同表征方法对除磷前后的产物进行对比,阐明CAAC深度除磷的机理。而且,通过以蒸压加气混凝土碎块(粒径1-3cm)为填料设计的间歇反应装置来进一步验证其深度除磷机理。  (2)在此基础上,对CAAC粉末材料进行改性,考察了酸、碱和磁改性后材料对磷的去除效果。针对改性处理效果最好的磁改性方法展开研究,考察了pH值、投加量和反应时间等因素对除磷效果的影响,从而确定最佳的反应条件。并且,通过XRD、FT-IR、SEM、EDS等表征分析方法来验证磁改性CAAC材料的深度除磷机理。  (3)在动态研究中,以蒸压加气混凝土碎块(粒径1-3cm)为填料设计简易动态流动装置对广佛跨界河涌的污水(约1mg/L)进行除磷研究,通过控制进出水流速(1ml/min)和测定进出水含磷浓度,并在第1,2,4,8,16,32,64天取样监测了解磷的去除率动态变化、考察CAAC对河涌污水中总磷的去除效果。  主要结论如下:  (1)静态研究表明,蒸压加气混凝土粉末虽然能在溶液中释放出钙和氢氧根离子,但材料对磷(1mg/L)的去除率仅为39.02%。对pH值和钙离子浓度这两个关键因素开展的进一步研究显示,当水体pH值大于10时,磷酸根基团会与溶液中钙和氢氧根离子反应使得磷得到去除,并在pH值为12时达到最佳(98.92%)。若只增加钙离子浓度而不调pH值,CAAC对磷的去除效果并没有明显地提高,仅为51.26%。通过X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、红外光谱(FourierTransform Infrared Spectroscope,FT-IR)、扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope,SEM)等表征分析和间歇实验的结果,可以推测CAAC深度除磷的方式主要以生成HAP羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)结晶沉淀为主、物理吸附为辅。其除磷的主要机理是磷酸根基团结合溶液中的OH-和CAAC释放出的溶解钙或与其表面难溶的含钙化合物反应生成溶解度更小的HAP从而实现对磷的去除。  (2)在改性研究中,酸改性CAAC对磷(1mg/L)的去除效果较差,仅为30.84%,而碱改性和磁改性的效果较佳,分别为96.25%和98.15%,并最终确定以磁改性方法作进一步研究。磁性蒸压加气混凝土粉末(Magnetic Crush AutoclavedAerated Concrete,MCAAC)在0.5g投加量和30min反应时间条件下对磷的去除效果最好(98.96%)。即使在酸性条件下(pH=2),MCAAC对磷的去除率也有60%以上。根据XRD、FT-IR分析可知,Fe3O4成功地负载在NCAAC的表面从而使其具有磁性。而且,借助磁铁便可使MCAAC达到分离回收的效果。表征结果还表明,MCAAC深度除磷的主要机理也是以生成羟基磷灰石(HAP)为主,物理吸附和其他钙磷沉淀为辅。  (3)在动态研究中,蒸压加气混凝土碎料(粒径1-3cm)对广佛跨界河涌污水(总磷约为1mg/L)有着高效磷去除率(大于80%),并在实验第8天表现出最佳的除磷效果(98.6%)。初步表明CAAC具备作为深度除磷材料的实际应用价值。
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