改性炉渣处理低浓度含磷废水试验研究

材料与方法

1.1 试验炉渣及其改性

炉渣风干磨碎后过粒径为1.0 mm的筛子备用。取100 g炉渣加入200 ml 1 mol/L的盐酸中，室温下浸泡24 h，过滤后用蒸馏水洗涤，再过滤，最后在105 ℃下烘干2 h，备用。

1.2 试验废水

为配制含磷废水，称9.95 g磷酸二氢钾溶于一定量水中，定容至1 000 ml，稀释1 000倍，即磷浓度为2.26 mg/L。

1.3 试验试剂

主要试剂包括磷酸二氢钾（天津市北方天医化学试剂厂）、钼酸铵（天津欧博凯化工有限公司）、浓硫酸（上海振企化学试剂有限公司）、浓盐酸（上海振企化学试剂有限公司）、氢氧化钠（天津市永大化学试剂有限公司）、抗坏血酸（天津港通化工有限公司）、酒石酸锑钾（郑州盛源化工有限公司）等。

1.4 试验仪器

主要仪器包括

HY2型调速多用振荡器（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）、PHS3C精密pH计（上海康仪仪器有限公司）、电子天平（天津天马衡机仪器有限公司）、V1100D型可见分光光度计（深圳同奥科技有限公司）和SHAC型水浴恒温振荡器（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）

1.5 试验方法

1.5.1

pH对磷去除率的影响。称取改性炉渣1.0 g分别投入6个含100 ml含磷废水的锥形瓶中，分别用1 mol/L的盐酸和1 mol/L的氢氧化钠调节pH依次为6、7、8、9、10、11，在室温下振荡1 h后过滤，往滤液中加入1 ml抗坏血酸溶液混匀，30 s后加入2 ml钼酸盐溶液混匀，放置15 min后在波长700 nm下测定吸光度。

1.5.2

改性炉渣投加量对磷去除率的影响。称取改性炉渣0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g，分别投入6个含100 ml含磷废水的锥形瓶中，分别用1 mol/L的盐酸和1 mol/L的氢氧化钠调节pH为8，在室温下振荡1 h后过滤，往滤液中加入1 ml抗坏血酸溶液混匀，30 s后加入2 ml钼酸盐溶液混匀，放置15 min后在波长700 nm下测定吸光度。

1.5.3

反应时间对磷去除率的影响。称取改性炉渣2.0 g分别投入8个含100 ml含磷废水的锥形瓶中，分别用1 mol/L的盐酸和1 mol/L的氢氧化钠调节pH为8，在室温下分别振荡10、20、30、40、50、60、80、100 min，过滤后往滤液中加入1 ml抗坏血酸溶液混匀，30 s后加入2 ml钼酸盐溶液混匀，放置15 min后在波长700 nm下测定吸光度。

1.5.4

温度对磷去除率的影响。称取改性炉渣2.0 g分别投入5个含100 ml含磷废水的锥形瓶中，分别用1 mol/L的盐酸和1 mol/L的氢氧化钠调节pH为8，在15、25、35、45、55 ℃下分别振荡1 h后往滤液中加入1 ml抗坏血酸溶液混匀，30 s后加入2 ml钼酸盐溶液混匀，放置15 min后在波长700 nm下测定吸光度。

1.6 磷标准曲线绘制

取5支50 ml容量瓶，分别加入磷标液0.5、1.0、2.0、4.0、5.0 ml，加入30 ml蒸馏水后，再加入1 ml抗坏血酸溶液混匀，30 s后加入2 ml钼酸盐溶液混匀，放置15 min后在波长700 nm下测定吸光度。以磷浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制磷标准曲线（图1）。

2 结果与分析

2.1 pH对磷去除率的影响

由图2可知，pH为6～11时，磷去除率先升高后降低；pH为7～9时，磷去除率均在90%以上，当pH为8时达最大值93.87%。pH过小或过大都不利于改性炉渣对磷的去除，因此pH取8为宜。炉渣的成分主要是Ca、Mg、Fe、Al等碱性氧化物，炉渣对废水中磷的吸附受pH的影响是多方面的。pH大小直接影响炉渣表面孔隙的结构和化学特性，还会影响炉渣表面碱性氧化物的带电情况。较强的酸性溶液会使炉渣表面的碱性氧化物带更多正电荷，但溶液的酸性也影响废水中磷的存在状态。磷在废水中主要有3种存在形式：PO43-、H2PO4-、HPO42-。当废水pH<7时，废水中主要存在HPO42-和少量的H2PO4-；当pH≥7时，随着pH的增加，PO43-成为主要离子。溶液中酸性增强，含磷化合物带的负电荷减少，所以磷去除率下降。当pH>11时，磷去除率也较低，这是由于在强碱性环境下，炉渣表面碱性氧化物带负电荷，而溶液中含磷化合物此时主要以PO43-的状态存在，两者都带负电荷有排斥作用，所以磷去除率下降。

2.2 改性炉渣投加量对磷去除率的影响

由图3可知，磷去除率随着改性炉渣投加量的增加而升高。当投加量为0.5 g时，磷去除率仅为82.12%，去除率较低，改性炉渣投加量明显不足；当投加量为2.0 g时，磷去除率为93.38%；当投加量为2.5 g时，磷去除率为94.07%；当投加量为3.0 g时，磷去除率为94.75%。可见，随投加磷增加磷去除率增幅不大，表明此时吸附已经趋于饱和状态。考虑到尽量减少处理后的炉渣量，投加量取2.0 g为宜。

2.3 反应时间对磷去除率的影响

由图4可知，磷的去除率随着反应时间的延长逐渐升高，且到一定程度后又缓慢下降。当反应时间不超过60 min时，磷的去除率增加明显；反应10 min后，磷去除率为43.50%，此时炉渣对磷的吸附不明显或在炉渣外表面吸附；反应时间小于40 min时，磷的残留浓度大于0.5 mg/L，超出了排放标准规定的范围；反应时间为60 min时，磷去除率为93.45%，比10 min时增加了49.95%，此时炉渣的外表面和内部孔隙均对磷进行吸附。然而，当反应时间超过60 min后，磷的去除率反而缓慢下降趋势，这表面吸附饱和后的炉渣随着反应时间的延长，被物理吸附的磷又脱附到水溶液中，导致磷的去除率缓慢降低。因此，过长的反应时间不利于水体中磷的去除，反应时间取60 min为宜。

2.4 温度对磷去除率的影响

由图5可知，温度对炉渣吸附磷有着较显著的影响，且随着温度升高磷去除率先快速上升，然后有小幅下降。当温度从15 ℃升至35 ℃时，磷去除率从82.24%升至96.59%。这是因为温度的升高加速物质热运动，促进离子扩散，加速吸附反应发生。当温度升至55 ℃时，磷去除率反而有小幅下降，降至93.39%。这是因为表面吸附反应饱和后，在较高温度下也加速了脱附反应的发生，导致磷去除率缓慢下降。此外，温度越高，能耗也越高。因此，温度取35 ℃为宜。

3 结论

（1）经过盐酸改性后的炉渣明显提高了废水中磷的去除率，对提高出水水质和改善水环境状况，特别是水体富营养化具有重要意义。

（2）pH为6～11时，磷的去除率先升高后降低。pH为7～9时，磷去除率均在90%以上，当pH为8时达最大值93.87%。pH过小或过大都不利于改性炉渣对磷的去除。

（3）反应时间为10～100 min时，炉渣对磷的吸附呈现先升高后降低的趋势；在反应时间为60 min时，磷去除率达最大值93.45%，随后随着反应时间的延长，脱附影响了磷的去除。

（4）温度为15～55 ℃时，炉渣对磷的吸附温度越高，磷去除率越高，但过高的温度对磷去除率增加效果不明显，反而有缓慢下降趋势，这是因为分子热运动的加剧对吸附反应产生影响。

（5）采用经盐酸改性后的炉渣处理废水中磷（废水100 ml，磷浓度2.26 mg/L），最佳工艺参数为：pH=8、炉渣投加量2.0 g、反应时间60 min、温度35 ℃。

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