CN109908860B - 一种利用给水厂污泥制备的磷吸附剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水体净化领域，具体公开了一种利用给水厂污泥制备的磷吸附剂及其应用。本发明所提供的磷吸附剂，由采用铁系凝聚剂进行水净化处理后生成的污泥在粘合剂的作用下经压制、煅烧而成。该磷吸附剂可对不同浓度的含磷水体进行高效的磷吸附，且吸附后产生的废弃磷吸附剂无需剥离再生，经简单煅烧后即可作为土壤改良剂或肥料，进行资源化再利用。解决了现有技术中废弃磷吸附剂处理复杂，且给水厂污泥难以有效利用的问题。

Description

一种利用给水厂污泥制备的磷吸附剂及其应用

技术领域

本发明涉及水体净化领域，具体地说，涉及一种利用给水厂污泥制备的磷吸附剂及其应用。

背景技术

在湖泊或者封闭水域，即便水体含磷浓度较低(如0.1ppm以下)，也仍会造成藻类的大量繁殖。对于这样的水域，一般利用微生物或者水生植物等生物学处理方法摄取水体当中的溶解磷，以实现磷的去除。然而，该方法受制于溶解氧的浓度以及微生物或水生植物的生物质数量，且涉及到需引入回收设备等后续维护管理的问题。当水体含磷浓度为中、高浓度(如0.1ppm～50ppm)时，通常使用物理化学处理法，即利用金属盐或石灰进行混凝沉淀去除水体当中的磷。然而，该方法常涉及对沉淀物的回收，以及对吸附磷的剥离(例如MAP法，使用碱把磷溶出后，添加锰盐、铵盐进行固液分离)与再资源化等复杂的后续处理。

因此，若能寻找到将废弃磷吸附剂直接进行下游应用的新方式，则可极大的简化对废弃磷吸附剂的后续处理，并显著降低对废弃磷吸附剂进行处理的各种成本。

而如何寻找将废弃磷吸附剂直接进行下游应用的方向，以及针对该应用方向，废弃磷吸附剂需具备哪些特性，都是难以从现有技术中获得明确的指导方向的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种利用给水厂污泥制备的磷吸附剂及其应用，本发明的目的之二是提供一种资源化利用给水厂污泥的方法。

为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种利用给水厂污泥制备的磷吸附剂，所述磷吸附剂是由向给水厂污泥加入粘合剂，压制成型后煅烧所得。

本发明技术方案中，所述给水厂污泥为采用铁系凝聚剂进行水净化处理后生成的污泥，其本质是由浮游在原水中的粘土粒子混凝沉淀后，经固液分离而得的土质物。

所述粘土粒子的来源是粘土矿物，根据地域可以是冲积土、火山灰土、褐色森林土、黄土等，其性质也可以多种多样的。火山系水铝石英石含有高比值活性铝，所以磷酸盐的吸收系数也较高，但是相比之下其它土壤的磷酸盐吸收系数不是很高。一般情况发生离子吸附的土壤粘土，其粘土骨架硅酸盐成层状排列，含有铁离子是因为氧气氧化生成氧化铁矿物。

作为优选，所述铁系凝聚剂为聚合硅酸铁(PSI)。

PSI是向聚合硅酸导入铁离子制作而得的铁系凝聚剂，通常用化学式(SiO₂)_n·(Fe₂O₃)表示。PSI有“PSI—025”(硅石：铁＝0.25:1)、“PSI—050”、“PSI—100”等，可有效混凝沉淀藻类和有机色度等污染物，也可以在低水温时进行高效的水处理。

进一步地，一般情况下给水厂运送出来的剩余污泥的含水量为65～75％，为了有效煅烧污泥制造磷吸附剂，需将所述给水厂污泥与粘合剂混合压制成型后，将含水率控制在20～40％，优选30％，再进行煅烧。

本发明技术方案中，所述粘合剂的加入量为污泥质量的1～50％，即相对于100单位质量的给水厂剩余污泥，粘合剂的投加量应为1～50单位质量；优选混合投加量应为10～40单位质量，即为污泥质量的10～40％，例如12％、20％、30％等。

进一步地，所述粘合剂的含水率以10％以下为优选。

所述粘合剂应当易于与给水厂剩余污泥相互混合，并有优良的塑性，煅烧后有良好的强度，只要不阻碍磷的吸附，粘合剂的种类将不受限制。

作为优选及一种示例性说明，采用硅藻土作为粘合剂。硅藻土来源于硅藻的硅酸质堆积物，并以含水非晶质二氧化硅为主要成分，通常包含有黏土、火山灰和有机物等。硅藻土持有微细气孔，并具备高吸水性。可用于潮湿的粘土质给水厂剩余污泥的水分调整，也可以作为给水厂剩余污泥的粘合剂易于混合。

将给水厂污泥与粘合剂混合后，可利用压出机压制出圆柱体颗粒或球状颗粒等成形物。该成形物由于添加有硅藻土，使得其通过煅烧后具备多孔质，且拥有足够的强度，浸泡在水中难以崩解溃散，还可加大比表面积，形成在水中稳定的固体物。

本发明技术方案中，所述压制成型为利用压出机，在3～4kg/cm²压力条件下将给水厂污泥与粘合剂的混合物压制成型，得到成形物。

需要说明的是，本发明对该成形物的形状和大小并没有特别的限制。作为示例性说明，当成形物为圆柱体颗粒时，长度可为5～50mm，优选为10～30mm，圆径可为5～30mm，优选为10～15mm；当成形物为球状颗粒时，粒径可为3～30mm。

在本发明中，将由聚合硅酸铁(PSI)进行水净化所产生的给水厂污泥，称为PSI型给水厂剩余污泥。经试验研究发现，煅烧温度对所得磷吸附剂的磷酸盐吸收系数及活性铁含量具有关键影响。在100～400℃对PSI型给水厂剩余污泥的加热煅烧，PSI型给水厂剩余污泥的部分氢氧化二铁转变为非晶质的氧化铁，且可以通过粘土粒子的非晶质化，生成活性较大的羟基并增大磷吸收系数(图1、图3)。而在500～800℃煅烧剩余污泥将使非晶质铁和粘土粒子结晶化，因脱水使羟基消失，磷吸收系数急剧减少(图1)，同时，活性铁也急剧减少(图2)。

因此，本发明技术方案中，煅烧温度控制在100～400℃，优选为200～350℃。煅烧时间根据成形物的含水率、形状、大小和煅烧温度等有所不同，一般情况是5～120分钟，以将成形物煅烧至具有一定强度的颗粒状为煅烧完成。

所述“一定强度”指：在200rpm条件下振荡60分钟，颗粒溃散性在3％以下。

第二方面，本发明还提供了所述磷吸附剂在处理含磷水体中的应用。所述用于具体体现为，利用所述磷吸附剂对水体中的磷酸盐等含磷污染物进行吸附，达到去除水体中磷污染物的目的。

本领域技术人员应当理解，本发明所述的磷吸附剂可适用于(高、中、低)不同浓度的含磷水体处理，自然水体或生活污水、化工污水等均可适用。

去除磷的水处理过程是把磷吸附剂浸泡到湖泊、河川、环境水、农用排放水、农村村镇处理水、家畜污水处理水、工厂排放水当中，或者向填充有磷吸附剂的容器当中，输送处理对象水来完成。根据处理对象水的种类、磷浓度、水量等区别，磷吸附剂的形状和使用量也会有所不同。一般情况，磷吸附剂的使用量与处理对象水的磷浓度和水量的乘积成正比。磷浓度较高的情况下，可使磷吸附剂的形状较小。磷吸附剂和处理对象水的接触面积越大，那么水处理的时间越短。即便水体中含磷量较低，但是处理水量较大的情况，使用较大形状的磷吸附剂可以减少吸附剂的交换频度。

因此，本发明基于上述应用提供了一种利用本发明所述磷吸附剂进行水处理的方法，即采用本发明所述磷吸附剂进行水处理的方法同属于本发明的保护范围。

本发明经试验研究发现，当水体中的磷酸盐浓度小于25mg/L时，所述磷吸附材料与水体接触时间达24小时时，即可去除水体中80％以上的磷酸盐(图4)；当水体中的磷酸盐浓度位100～1000mg/L时，所述磷吸附材料与水体接触时间达12天，即可去除水体中80％以上的磷酸盐，接触18天，可去除水体中95％以上的磷酸盐(图5)。

进一步地，在利用本发明所述磷吸附剂进行水处理的过程中，对吸附作用发挥完全的废弃磷吸附剂还可进行回收利用。

所述回收利用具体表现为，将所述废弃磷吸附剂在700～900℃下进行煅烧，至颗粒无水分且呈稳定固态后，可作为土壤改良剂或肥料。

进一步地，煅烧后在100rpm条件下振荡30分钟，颗粒溃散性在3％以下，说明其有足够的强度。

这些土壤改良剂或者肥料当中含有铁、硅以及可用态磷和可溶性磷(可用态磷：H₂PO₄ ^-，HPO₄ ^2-可溶态磷：H₂PO₄ ^-，HPO₄ ^2-，PO₄ ^3-)使本发明所述磷吸附剂的再资源化和有效利用成为可能。

经试验研究发现，将废弃磷吸附剂以800℃在自动温度调整式电窑中煅烧15分钟，把煅烧物细磨之后，测量可供给态磷酸得知，约占10％的吸附磷酸通过高温煅烧可供给化(图6)。因高温处理，吸附在吸附剂表面的磷可供给化，同时吸附剂中铁的磷吸附活性明显降低，不会吸附作为肥料投加的磷，使废弃磷吸附剂可以安全的用于耕地还原。

第三方面，本发明提供一种资源化利用给水厂污泥的方法，利用所述给水厂污泥制备磷吸附剂，并利用所述磷吸附剂对含磷水体进行磷吸附，将完成磷吸附作用的废弃磷吸附剂作为土壤改良剂或肥料。

所述给水厂污泥需为采用铁系凝聚剂进行水净化处理后生成的污泥，优选为采用聚合硅酸铁(PSI)进行水净化所产生的PSI型给水厂剩余污泥。

将所述污泥采用前文所述方法制备磷吸附剂，并在吸附完毕后，将废弃磷吸附剂在700～900℃下煅烧后，作为土壤改良剂或肥料。不仅实现了废弃磷吸附剂无需剥离吸附磷即可直接进行下游应用，还克服了现有给水厂污泥难以应用于耕地土壤的缺陷。

本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。

附图说明

图1为混合成形物的煅烧温度和磷酸盐吸收系数的关系。

图2为混合成形物的煅烧温度和活性铁含量的关系。

图3为混合成形物活性铁含量和磷酸盐吸收系数的关系。

图4为低浓度含磷水体中磷吸附剂的接触时间和磷去除率的关系。

图5为高浓度含磷水体中磷吸附剂的接触时间和磷去除率的关系。

图6为废弃磷吸附剂在800℃煅烧时，吸附磷酸盐的溶出率和溶出量，横坐标代表磷酸盐溶液浓度，纵坐标代表溶出量，柱状图柱子上方的数值为溶出率。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明使用的PSI可通过市场正规渠道购买获得，例如生产厂家FUJI PIGMENTCO.LTD、Suido Kiko、Nankai Chemical CO.Ltd生产的PSI产品。

实施例1

本实施例用于说明利用给水厂污泥制备磷吸附剂的方法。

1、原料

某给水厂使用聚合硅酸铁(PSI)作为凝聚剂净化水产生的剩余污泥(水含量约为70％)；

市售可得的硅藻土。

2、制备方法

向50kg的剩余污泥中投加6kg硅藻土，利用旋转搅拌机充分搅匀，使用自动押出机把混合物制成直径21mm、长度2cm的圆柱型颗粒。将颗粒自然干燥至含水率为30％，以300℃在自动温度调整式电窑中煅烧15分钟，得到多孔质圆柱型磷吸附剂约15kg，其颜色为淡黄色-褐色、干固体约占88％、体积密度0.5g/cm³。

实验例1

实施例1制取的磷吸附剂是比表面积为150m²/g的多孔物质，经测试，其磷酸盐吸收系数高达约60g/kg以上。使用旋转式振荡器以100rpm振荡所述磷吸附剂30分钟，所述磷吸附剂的溃散性在3％以下，证明该磷吸附剂有足够的强度。

为了验证较低浓度条件下，磷吸附剂对磷酸盐的吸附效果，取1L磷酸态磷(PO₄-P)浓度为0.7mg/L、1.08mg/L的耕地排水，11.4mg/L、21.1mg/L的地下水1L，并且向水体投加80g的磷吸附剂。浸泡实验的结果是水体当中的所有磷在48小时之内都被吸附。

为了验证高浓度条件下，磷吸附剂对磷酸盐的吸附效果，使用磷酸二氢钾(H₂KPO₄)配制磷酸态磷浓度为100～1000mg/L的试验用水，并向不同浓度的试验用水1L投加磷吸附剂100g。在一定水温条件下，静置浸泡磷吸附剂，而不进行搅拌。为了达到指定磷去除率所用时间，伴随试验用水磷浓度的提高而延长。但是，最高磷浓度1000mg/L的情况，浸泡后28天去除率达到98％以上。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：向50kg的剩余污泥中投加15kg硅藻土。其余工艺与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：向50kg的剩余污泥中投加25kg硅藻土。其余工艺与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：向50kg的剩余污泥中投加0.5kg硅藻土。其余工艺与实施例1相同。

实施例5

本实施例将实验例1中完成吸附磷酸盐作用的废弃磷吸附剂在800℃于自动温度调整式电窑中煅烧15分钟，把煅烧物细磨之后，测量可供给态磷酸得知，约占10％的吸附磷酸通过高温煅烧可供给化(图6)。因高温处理，吸附在吸附剂表面的磷可供给化，同时吸附剂中铁的磷吸附活性明显降低，不会吸附作为肥料投加的磷，使废弃磷吸附剂可以安全的用于耕地还原。例如，可直接作为土壤改良剂或肥料。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种资源化利用给水厂污泥的方法，其特征在于，利用给水厂污泥制备磷吸附剂，并利用所述磷吸附剂对含磷水体进行磷吸附，将完成磷吸附作用的废弃磷吸附剂在700~900℃下进行煅烧后，作为土壤改良剂或肥料；

所述磷吸附剂是由向给水厂污泥加入粘合剂，压制成型后在100～400℃条件下煅烧所得；

所述粘合剂为硅藻土；

所述给水厂污泥为采用铁系凝聚剂进行水净化处理后生成的污泥；

所述铁系凝聚剂为聚合硅酸铁。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，压制成型后，将所得物的含水率控制在20～40%，再进行煅烧。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述所得物的含水率控制在30%。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，压制成型后，在200～350℃条件下进行煅烧。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述粘合剂的加入量为污泥质量的1~50%。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述粘合剂的加入量为污泥质量的10~40%。

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