城市生活污水中有机物处理方法

随着我国社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，影响着人民群众的身心健康，已经成为城市可持续发展的严重制约因素。近年来，国家和地方政府非常重视水环境的保护，正以前所未有的速度推进城市污水处理工程的建设，有数百座污水处理厂正在工程设计和建设中，在这一进程中，城市污水处理工艺的选择，将是工程界面临的首要问题。

　　城市污水中主要污染物包括需氧有机物、悬浮物病原体、氮磷等。需氧有机物可降低水体含氧量，使细菌滋生，恶化水质，造成水体变臭。目前，除去污水中有机物的方法主要有物理化学吸附法、化学法和生物法。其中，物理化学吸附法因具有投资小、工艺操作简便的特点而被广泛采用。笔者研究采用我国蕴藏丰富的煤系高岭岩(土)作为吸附剂处理城市污水〔1〕。煤系高岭岩(土)的吸附作用主要有化学吸附和物理吸附。化学吸附主要是由于煤系高岭岩(土)表面存在大量的铝、硅等活性点，能与吸附质通过化学键发生结合; 物理吸附是指煤系高岭岩(土)与吸附质(污染物质)间通过分子间引力产生吸附，这一作用主要取决于煤系高岭岩(土)的多孔性和比表面积，比表面积越大，吸附效果越好。笔者通过焙烧，一方面脱去煤系高岭土中的有机碳和其他杂质矿物;另一方面脱去煤系高岭土中所含水分、羟基，这样可在煤系高岭土表面和内部形成大量的微孔，使其表面呈蜂窝状结构，这些暴露于表面的孔穴对水体和空气中的化学物质具有一定的吸附性能，而对于内部的孔穴则因为次外层薄膜的屏蔽、阻挡而只有很小的吸附性能，为了提高其空隙率和比表面积，本实验采用硫酸活化的方法。

　　笔者通过改变焙烧时间、焙烧温度、煤系高岭土颗粒和硫酸浓度大小来找出煤系高岭土吸附处理生活污水的佳条件，旨在拓宽煤系高岭土应用领域，为煤系高岭土吸附法处理生活污水提供理论依据。

1 实验部分

　　1.1 实验原料与仪器

　　1.1.1 实验原料

　　城市生活污水取自内江市沱江河生活污水排放口，原水水质如表 1 所示。

　　煤系高岭土取自四川省乐山市沙湾区俊江矿业有限公司。煤系高岭土的化学成分如表 2 所示。

　　1.1.2 主要实验仪器

　　722N 型可见紫外分光光度计，上海精密科学仪器有限公司;pHSJ-3F 型pH 计，上海精密科学仪器有限公司;HY-3 型多功能调速多用振荡器，金坛市亿通电子有限公司;SX2-5-12 型马弗炉，天津市科学器材设备厂;高速超细粉碎机，日本佑崎有限公司。

　　1.2 煤系高岭土活化工艺路线

　　煤系高岭土活化工艺路线如图 1 所示。

　　图 1 实验工艺流程

　　1.3 实验方法

　　正交实验设计采用L16(45)正交表进行实验〔2〕，考察焙烧温度(A)、焙烧时间(B)、颗粒大小(C) 、硫酸质量分数(D)对煤系高岭土吸附城市生活污水中有机物的吸附率的影响，COD 采用重铬酸钾法测定〔3〕。因素水平详见表 3。

2 结果与讨论

　　正交实验结果见表 4。表 4 中K 为各因素下相同水平的指标之和，S 为各因素方差，fj 为自由度， F 比为(Sj /fj )/(Se/fe)，T 为所有实验结果指标的总和。

　　由表 4 综合分析可知，煤系高岭土焙烧活化佳条件为：A3B2C4D4 ，即焙烧温度为700 ℃，焙烧时间为30 min，颗粒大小为0.106 mm(150 目)，硫酸质量分数为80%。在佳条件下进行实验得煤系高岭土吸附城市生活污水中有机物的吸附率为 98.962%，要弱高于正交实验中实验9 号的98.0%。因此本实验的优组合为A3B2C4D4。各因素对吸附率影响的主次顺序为：焙烧温度(A)、颗粒大小(C)、硫酸质量分数(D)、焙烧时间(B)。

　　2.1 焙烧温度对吸附率的影响

　　由表 4 可知，当焙烧温度在600~700 ℃时，吸附率随焙烧温度的升高而不断增加，当焙烧温度为700 ℃时，吸附率达到大值，此后随着温度的升高吸附率反而下降。这是由于煤系高岭土经历到700℃ 高温焙烧过程中，煤系高岭土中的高岭石会发生一系列强烈的吸热和脱水反应〔4〕，从而生成了非晶质 SiO2 和具有活性的γ-Al2O3，煤系高岭土的表面和内在的空隙率大大提高，生成的γ-Al2O3 能与硫酸发生反应，生成具有吸附性能的胶状物质，使煤系高岭土的吸附性能极大提高。当温度高于750 ℃时，吸附率反而下降，出现这种情况主要是因为温度过高会使无定形SiO2 和γ-Al2O3 转变成结晶相石英及莫来石〔4〕，石英和莫来石不能与硫酸发生反应，使煤系高岭土的吸附能力极大丧失。

　　2.2 焙烧时间对吸附率的影响

　　由表 4 可知，当焙烧时间在15～30 min 时，随着焙烧时间的延长煤系高岭土对城市生活污水中有机物的吸附率不断增大，当焙烧时间超过30 min 时，吸附率随着焙烧时间的延长不断减小。这是由于当焙烧时间为15～30 min 时，随着焙烧时间的延长煤系高岭土中的高岭石能不断生成非晶质SiO2 和具有活性的γ-Al2O3;当焙烧时间超过30 min 时，随着焙烧时间的延长非晶质SiO2 和具有活性的γ-Al2O3 不断转变成结晶相石英及莫来石，从而使煤系高岭土吸附城市生活污水中有机物的吸附率不断降低。

　　2.3 颗粒大小对吸附率的影响

　　由表 4 可知当煤系高岭土的颗粒在0.25~0.18mm (60~80 目)时，吸附率急速增长，从0.18~0.106 mm (80～150 目)时，吸附率增长缓慢。这是由于煤系高岭土颗粒越细，比表面积就越大，反应就越充分。当煤系高岭土的颗粒在0.25~0.18mm(60～80 目)时，焙烧时就越容易生成非晶质SiO2 和具有活性的γ- Al2O3，因此也容易与硫酸反应生成硅酸铝凝胶使其吸附性能增强，同时煤系高岭土的表面积越大，也越容易吸附污水中的有机物，所以此时随着煤系高岭土颗粒的增大吸附率急速增长;当煤系高岭土的粒径为0.18~0.106 mm(80～150 目)时，焙烧时生成的非晶质SiO2 和具有活性的γ-Al2O3 越容易转变成结晶相石英及莫来石，使其吸附性能大大减弱，因此尽管煤系高岭土的比表面积不断增大，但其吸附率增加缓慢。

　　2.4 硫酸浓度对吸附率的影响

　　由表 4 可知，当硫酸浓度不断增大时，吸附率也不断增大。这是由于硫酸能溶解煤系高岭土中的γ- Al2O3、FeO 等碱性氧化物，生成硫酸铝等具有混凝作用的盐类; 另一方面酸浸煤系高岭土还可使其表面微孔内变得粗糙，比表面积增加，打开煤系高岭土封闭的孔道，增加孔隙率。浓度越高的硫酸，其酸性、氧化性、炭化性越强，因而经其处理后的煤系高岭土对城市生活污水中有机物的吸附率就越高〔5〕。

3 结论

　　通过5 因素4 水平的正交实验，确定了焙烧条件对煤系高岭土吸附城市生活污水中有机物的影响顺序分别为焙烧温度(A)、颗粒大小(C)、硫酸质量分数(D)、焙烧时间(B)。

　　当焙烧温度为700 ℃、焙烧时间为30 min、颗粒大小为0.106 mm(150 目)、硫酸质量分数为80%时，为佳条件，在佳条件下进行实验得煤系高岭土吸附城市生活污水中有机物的吸附率为98.962%。