类镁铝水滑石吸附水中磷的机制研究_陈超.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言生活污水和工业废水中磷的浓度一般为几至几十毫克每升1，而且处理效果不稳的，过渡排放的磷已经给人类的生产、生活带来极大危害，同时也造成巨大的资源浪费。据统计，受水体中磷浓度影响，目前国内富营养的湖泊占比超50%以上，这些被污染的湖泊磷的主要来源为人类生活和工业废水2-3。随着水体污染程度日趋严重，政府开始重视并投入大量资金用于污水处理，并对出水污染物浓度提出不同考核要求。【作者简介】陈超（1986），男，河南新乡人，工程师，从事水污染控制和生态修复研究。类镁铝水滑石吸附水中磷的机制研究Study on the Mechanism of Phosphorus Adsorption from Waterby Magnesium-Like Aluminum Hydrotalcite陈超（上海市机电设计研究院有限公司，上海 200000）CHEN Chao(ShanghaiElectromechanicalDesignandResearchInstituteCo.Ltd.,Shanghai200000,China)【摘要】城镇生活污水经传统二级处理后，其出水中磷浓度难以达到 GB189182002 城镇污水处理厂污染物排放标准 中规定的一级 A 标准，本研究以处理污水处理厂二级出水中磷为目的，研究考察了制备的镁铝水滑石对溶液中磷酸根的吸附效果，使用准一级、准二级、Elovich 动力学方程对其吸附过程进行模拟。结果表明，MgAl=31 的水滑石材料吸附效率和吸附量都要高于其他材料，对磷的去除率在 95%以上，其吸附动力学符合准二级吸附动力学方程。两种文石型碳酸钙吸附效率略低于镁铝水滑石，也符合二级吸附动力学方程。镁铝铁三元水滑石吸附效率最低，符合一级动力学方程。之后讨论了 Mg-Al 水滑石对磷酸根的吸附方式主要有表面静电吸附、配位络合、阴离子交换等。以污水处理厂二级出水为实验对象的研究表明，溶液中的磷酸根浓度在 1min 左右已经降到了检出限（0.01mg/L）以下。综合分析，Mg-Al 水滑石对磷酸根吸附量大、吸附速率高，在污水深度除磷领域有较好的应用前景。【A b s t r a c t】After traditional secondarytreatment of urban domestic sewage,the phosphorus concentration in the effluent is difficult to reachthefirstlevelAstandardspecifiedintheGB189182002PollutantDischargeStandardforUrban Sewage Treatment Plants.Thisstudyaimstotreat phosphorusin the secondaryeffluent of sewage treatment plants and investigates the adsorption effect of prepared magnesium aluminumhydrotalcite on phosphate ions in solution.The adsorption process is simulated using quasi first,quasi second,and Elovich kinetic equations.The results show that the adsorption efficiency and amount of MgAl=31 hydrotalcite material are higher than other materials,and thephosphorusremovalrateisabove95%.Itsadsorptionkineticscomplywiththequasisecond-orderadsorptionkineticsequation.Theadsorptionefficiency of two types of aragonite type calcium carbonate is slightly lower than that of magnesium aluminum hydrotalcite,which alsoconforms to the second-order adsorption kinetics equation.The adsorption efficiencyof magnesium aluminum iron ternary hydrotalcite is thelowest,which conformsto the first order kinetic equation.Afterwards,it was discussed that the adsorption methods of Mg-Al hydrotalcite forphosphateionsmainlyincludesurfaceelectrostaticadsorption,coordinationcomplexation,anionexchange,etc.Thestudyusingthesecondaryeffluentofasewagetreatmentplantastheexperimentalobjectshowsthattheconcentrationofphosphateionsinthesolutionhasdroppedbelowthedetectionlimit(0.01mg/L)withinabout1minute.OverallanalysisshowsthatMg-Alhydrotalcitehasalargeadsorptioncapacityandhighadsorptionrateforphosphateions,andhasgoodapplicationprospectsinthefieldofdeepphosphorusremovalofwastewater.【关键词】Mg-Al 水滑石；吸附；磷酸根【K e y w o r d s】Mg-Alhydrotalcite;adsorbent;phosphateradical【中图分类号】X52【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0094-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.23194EnvironmentEngineeringDesign环境工程设计根据GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准的规定，根据污水厂建设时间，以2005年12月31日作为节点，节点之前建设污水厂，总磷执行一级A排放标准为1 mg/L，节点后建设的污水处理厂，总磷执行一级A排放标准为0.5mg/L。目前各地政府根据“水十条”要求，一方面加强管网建设，污水统一纳管，加快污水处理厂建设步伐，另一方面对已有污水处理厂进行扩容和提标改造，确保污水处理厂出水能够达标排放，并实现部分中水回用。2磷元素去除和回收的必要性目前，城镇污水中的磷主要为可溶于水的无机状态磷，根据不同地区的饮食和用水习惯，其浓度约在38 mg/L（以磷计）。据年鉴统计，每年市政污水总体排放量约1 400亿t，通过计算得出每年通过市政污水排放导致磷流失总量在62万t4。由此可知，磷元素的流失不仅对我们的资源造成了极大的浪费，还给环境带来了严峻的考验。而且磷资源非常短缺，只能靠岩石中的磷酸盐加工，不能像碳、氮等元素那样实现短期的自然循环。因此，现在急需把污水除磷的工艺技术发展成为磷回收再利用的绿色技术。3类水滑石及其研究现状3.1类水滑石概述及结构类水滑石，又称水滑石类层状化合物（Hydrotalcite-likecompounds，HTlc），最早发现的是镁铝滑石。1842年，天然水滑 石 矿 物 首 度 被 发 现 存 在 于 岩 石 矿 层，但 直 到1942年Feitknecht等首次通过金属混合盐溶液与碱金属氢氧化物反应合成了类水滑石。类水滑石的化学组成通式可以表示为M2+1-xM3+x（OH）2（An-）x/nmH2O。其中，M2+和M3+分别为二价和三价金属阳离子，An-为层间阴离子，x一般为0.170.335。其晶胞为正八面体，晶体结构如图1所示，基本结构是由正八面体侧向重复排列的主体层板，通过氢键作用、静电作用、范德华力作用而无序排布的层间阴离子和水分子所组成。层板可以两种不同的堆积方式：六方密堆积和斜方密堆积。3.2类水滑石的研究现状类水滑石材料有着特殊的组成结构，化学组成呈现多元型、可调阳离子比例、阴离子类型众多，使其具有多样性，在催化剂6、吸附剂7、离子交换载体8、阻燃剂9和高分子聚合物纳米材料10等方面得到了广泛的应用。近年来，随着水滑石制备技术的不断创新，以及对其机理研究的日益深入，在电极材料、催化、光敏化、复合磁体、半导体材料和生物无机材料等方面有着巨大的潜在利用前景，已然成为国内外开发研究的热点。作为一种吸附材料，为了使其拥有更大的比表面，调控粒子结构、形貌以及尺寸的研究已经很多了。镁铝滑石因为其独特结构，合成相对简单，并且不存在二次污染、经过吸附后，可轻易实现材料再生等，因此，作为吸附剂在废水除磷领域中的应用日益受到关注。近年来，不同类水滑石的研究方向主要集中在改性后以提高其吸附磷的效率。类水滑石材料有着成本低廉、制备简单、可回收再生，以及类水滑石独特的层状结构和阴离子交换等优良性能。基于以上良好特性，对用不同方法制备的类水滑石，以及通过不同煅烧温度得到的复合氧化物。之后再通过精确控制合成条件、改善制备工艺，适当选择主体层板和层间阴离子的复合体，提高类水滑石材料在微观尺度上的特性。3.3水体中除磷的研究现状在以往的除磷方法中，其原理是通过把废水中的磷离子转化为固体而将磷沉淀除去。这部分固体可以是不可溶的磷酸盐沉淀、活性污泥中的微生物群体，或人工湿地中的植物。常用的除磷方法有生物除磷和化学药剂除磷。化学加药除磷是将可溶性的铁盐、铝盐投加到污水中，使其与磷酸盐反应生成不溶性的磷酸铝或磷酸铁沉淀物。常用的金属盐主要包括三氯化铁、硫酸铝、硫酸亚铁、二氯化铁、氢氧化镁等11。OH-CO32-金属阳离子图 1晶体结构示意图95Construction&DesignForProject工程建设与设计用生物法除磷可以通过两种机理完成：（1）用悬浮生长的细胞和植物直接吸收磷；（2）通过污水处理中的活性污泥微生物，如聚磷微生物来提高磷的储存能力。目前，用于工程的生物除磷技术有厌氧/缺氧/好氧处理工艺（AAO）、人工湿地等。生物除磷工艺是相对经济的除磷方法，其中，聚磷菌除磷工艺是当前研究的热点，但也存在诸多不足。因此，探索并开发经济有效的新型除磷工艺具有重要的现实意义12。目前，去除污水中磷的方法主要有物理、化学和生物法13，其中，应用广泛的有化学混凝沉淀（PAC+PAM）、磁混凝、生化工艺生物除磷以及吸附除磷等。吸附除磷既不产生化学污泥，也不产生生化污泥，避免二次污染，同时吸附材料通过解析可回收磷资源，这些特点使其成为一种更优选的去除方法。因此，镁铝水滑石作为吸附材料有相当广阔的开发和应用前景。4镁铝水滑石吸附水中磷酸根的研究通过对4种类镁铝水滑石和碳酸钙晶体吸附磷的效率进行分析，研究测定不同条件下吸附磷的动力学和等温线，根据测定的吸附磷动力学和等温线，计算材料对磷酸根的去除率和最大吸附量，之后结合研究对象的结构特征和PO4-的吸附特征，详细讨论分析镁铝水滑石吸附磷酸根的机理。实验考察了4种样品在15，初始浓度为2 mg/L（以磷计）条件下对磷酸根的吸附动力学结果（见表1）。其中MgAl=31的水滑石材料吸附效率和吸附量都要高于其他材料，对磷的去除率在95%以上，其吸附动力学符合准