粉煤灰混凝剂制备及用于混凝—人工湿地处理污水效能研究

【摘要】： 我国污水处理多采用二级生化处理工艺,一次性投资大、运行费用高、建设周期长、占地面积大,为了探寻一条简洁灵活、基建省、运行费用低、且能适于中小城镇污水处理的工艺流程,本课题提出“混凝-人工湿地”处理工艺。为减少混凝药剂费用,实验以当地电厂固体废弃物——粉煤灰为原料,采用酸溶法制备粉煤灰混凝剂并应用于混凝单元,混凝出水再经过模拟潜流人工湿地进一步处理。同时,将酸溶粉煤灰得到的Al、Fe盐溶液通过慢速滴碱法研制出了聚合硫酸铝铁(PAFS),应用于工业废水的处理。 酸溶反应温度的提高能协同酸浸液浓度的增加显著提高粉煤灰中的铝铁溶出性能。常压下沸腾条件直接酸溶,可使粉煤灰中Al、Fe溶出率达到10%、33%以上,混凝剂中含Al_2(SO_4)_3 19.3g/L、Fe_2(SO_4)_3 7.5g/L ;在4.0ml/L投加量下处理污水的效果和市售混凝剂相当,但产泥量较大,每处理1m3污水,约有6kg残留粉煤灰微粒成为污泥。添加助溶剂并没有改善粉煤灰的酸溶活性,而和纯碱高温焙烧后,Al的溶出性提高。100g粉煤灰与6g的Na_2CO_3混匀后在805℃下焙烧1h,产物冷却粉碎后在沸腾回流条件下与4mol/L的H_2SO_4反应0.5h、余温冷却0.5h,即得到粉煤灰混凝剂,其中含Al_2(SO_4)_3 32.7g/L、Fe_2(SO_4)_3 7.1g/L;处理生活污水的投量为1ml/L时,处理效果明显优于相同投量下的市售混凝剂,COD、SS和TP的去除率分别达到64%、93%和91%,剩余SS、TP已经达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》的一级B标准。 对于PAFS的制备,考查了Al/Fe摩尔比、Na_2CO_3浓度、滴定终点的pH值、Al+Fe的总浓度、碱化剂种类等因素对产品混凝性能的影响,确定了最佳合成条件为100g/L的Na_2CO_3溶液慢速滴定溶出液至pH=1.1~1.2左右。样品制备时pH值越大,[Al,Fe]_a越少,[Al+Fe]_b和[Al+Fe]_c增加。最佳条件下获得的PAFS,其中[Al,Fe]_a占57.06%,[Al+Fe]_b占5.58%,[Al+Fe]_c占37.36%。随着时间的延长,样品的pH值有下降的趋势,结合Ferron比色法测定的形态变化结果,这是熟化过程中低聚物分子与游离OH-络合生成较高聚合度分子所致。PAFS中既有以羟基桥联的铁的聚合物,也有以羟基桥联的铝的聚合物。PAFS的烧杯实验结果显示,处理乳品废水的效果优于PAC,并且用量较少。适宜pH值范围为6~9,静沉15min即可达到COD去除率63.9%,SS去除率94.4%。 潜流人工湿地处理混凝预处理后的生活污水,在0.03~0.10m~3/(m~2·d)的水力负荷下,进水COD负荷为5.62~18.11g/(m2·d) ,水力停留时间6.73~1.95d,菖蒲和美人蕉湿地对COD的去除率为64%~77%,出水COD小于60mg/L,满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》一级B标准。两级湿地串联运行可提高氨氮去除效率;在0.05m~3/(m~2·d)水力负荷下,进水氨氮负荷为2.156g/(m~2·d),水力停留时间3.97d,出水氨氮和TN分别为40.46mg/L和46.80mg/L,去除率分别达到11.97%和15.44%。进水TP浓度低时,砾石床潜流人工湿地存在基质释放P现象;进水TP约0.3~0.5mg/L,而出水TP浓度约为1mg/L,但仍远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》二级标准。 【关键词】：生活污水 混凝 人工湿地 粉煤灰混凝剂 聚合硫酸铝铁
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-17
• 第1章 绪论17-42
• 1.1 我国城镇污水处理现状17-18
• 1.2 人工湿地在污水处理领域的应用现状18-25
• 1.2.1 人工湿地的概念及分类18-19
• 1.2.2 国外人工湿地在污水处理中的应用现状19-20
• 1.2.3 国内人工湿地在污水处理中的应用现状20
• 1.2.4 人工湿地的应用前景及存在的问题20-22
• 1.2.5 影响湿地脱氮除磷能力的因素22-25
• 1.3 混凝技术在污水处理中的应用现状25-29
• 1.3.1 化学强化一级处理（CEPT）的概念25-26
• 1.3.2 CEPT 在废水处理中的应用26-27
• 1.3.3 CEPT 技术的应用前景及存在的问题27-29
• 1.4 粉煤灰概述及应用现状29-39
• 1.4.1 粉煤灰的概述29-34
• 1.4.2 我国粉煤灰资源的综合利用技术及存在问题34-35
• 1.4.3 粉煤灰制备混凝剂的研究现状与主要问题35-39
• 1.5 课题研究的意义和内容39-42
• 1.5.1 课题研究的意义39-40
• 1.5.2 课题研究的内容40-42
• 第2章 实验材料及方法42-49
• 2.1 研究技术路线42-43
• 2.2 实验材料43-44
• 2.2.1 粉煤灰43
• 2.2.2 实验原水水质43-44
• 2.3 实验方法44-45
• 2.3.1 原状粉煤灰的酸溶实验44
• 2.3.2 活化粉煤灰的酸溶实验44-45
• 2.3.3 聚合硫酸铝铁（PAFS）的制备45
• 2.3.4 混凝实验45
• 2.4 实验装置与设备45-48
• 2.4.1 主要实验仪器与设备45-46
• 2.4.2 人工湿地实验装置46-48
• 2.5 实验分析及测试方法48-49
• 第3章 粉煤灰特性分析及酸溶制备粉煤灰基混凝剂49-70
• 3.1 粉煤灰的特性分析49-52
• 3.1.1 化学成分分析49
• 3.1.2 结构分析49-52
• 3.2 直接酸溶制备粉煤灰基混凝剂52-56
• 3.2.1 粉煤灰中元素溶出率的计算方法52
• 3.2.2 影响铝铁溶出率的因素研究52-53
• 3.2.3 酸灰比的影响53-54
• 3.2.4 酸浓度的影响54-56
• 3.3 添加助溶剂再酸溶制备粉煤灰基混凝剂56-59
• 3.3.1 氯离子对溶出效果的影响56-57
• 3.3.2 氟化物对溶出效果的影响57-59
• 3.4 直接焙烧再酸溶制备粉煤灰基混凝剂59-60
• 3.5 碱熔焙烧再酸溶制备粉煤灰基混凝剂60-68
• 3.5.1 碱熔焙烧的原理60-61
• 3.5.2 焙烧条件对熟料溶出率的影响61-66
• 3.5.3 碱熔融后的粉煤灰的结构分析66-68
• 3.6 本章小结68-70
• 第4章 粉煤灰制备PAFS 混凝剂及其结构形态表征70-87
• 4.1 铝铁溶液的形态分布71-76
• 4.1.1 Ferron 逐时络合比色法73-74
• 4.1.2 试剂的配制74
• 4.1.3 标准曲线的制作74-75
• 4.1.4 工作曲线的制作75-76
• 4.2 制备工艺参数的确定76-84
• 4.2.1 正交试验初步确定制备条件79-82
• 4.2.2 碱化剂种类及混凝剂pH 值对混凝效果的影响82-84
• 4.3 PAFS 的红外表征84-86
• 4.3.1 红外光谱的测试条件84
• 4.3.2 样品的红外光谱84-86
• 4.4 本章小结86-87
• 第5章 粉煤灰混凝剂的混凝性能研究87-103
• 5.1 粉煤灰基混凝剂FAC-Ⅰ处理生活污水的效果87-89
• 5.1.1 pH 值的影响87-88
• 5.1.2 投加量的影响88
• 5.1.3 与市售混凝剂的性能对比88-89
• 5.2 粉煤灰基混凝剂FAC-Ⅱ处理生活污水的效果89-93
• 5.2.1 适宜的混凝pH 范围90-91
• 5.2.2 适宜的投加量范围91-92
• 5.2.3 与市售混凝剂的性能对比92-93
• 5.2.4 粉煤灰基混凝剂的作用机理93
• 5.3 粉煤灰溶出液处理乳品废水的效果93-95
• 5.3.1 水样pH 值对混凝效果的影响93-95
• 5.3.2 投加量对混凝效果的影响95
• 5.4 PAFS 处理乳品废水的效果95-98
• 5.4.1 投加量对混凝效果的影响95-97
• 5.4.2 水样pH 值对混凝效果的影响97-98
• 5.5 粉煤灰混凝剂的经济效益分析98-101
• 5.5.1 技术可行性分析98
• 5.5.2 粉煤灰基混凝剂98-100
• 5.5.3 PAFS 混凝剂100-101
• 5.6 本章小结101-103
• 第6章 混凝-人工湿地工艺处理生活污水的研究103-129
• 6.1 生活污水的混凝处理单元103
• 6.2 模拟人工湿地实验单元启动阶段的效果研究103-107
• 6.2.1 实验启动方式103-104
• 6.2.2 启动阶段运行效果104-107
• 6.3 不同水力负荷下的湿地运行效果107-114
• 6.3.1 运行工况107
• 6.3.2 有机物去除效果107-109
• 6.3.3 氨氮去除效果109-111
• 6.3.4 磷去除效果111-113
• 6.3.5 一日内进出水污染物时变化113-114
• 6.4 预曝气强化湿地处理效能114-122
• 6.4.1 运行工况115
• 6.4.2 运行效果115-117
• 6.4.3 预曝气工艺的效果比较117-122
• 6.5 两级湿地处理效能122-127
• 6.5.1 运行工况123
• 6.5.2 运行效果123-127
• 6.6 混凝-人工湿地处理工艺经济效益分析127
• 6.7 本章小结127-129
• 结论129-131
• 参考文献131-143
• 攻读博士学位期间发表的学术论文143-145
• 致谢145-146
• 个人简历146

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