改性膨润土用于城市污水处理厂二级出水深度处理的实验研究

【摘要】： 再生水是指污水经过适当处理后,达到一定的水质指标,满足某种使用要求,可以进行有益使用的水。同海水淡化、跨流域调水相比,再生水具有明显的优势。从经济角度看,再生水的处理成本低；从环保角度看,污水再生利用有助于改善生态环境,实现水生态的良性循环。再生水是城市的第二水源,将再生水深度处理后回灌到地下,不但可以防止海水入侵、地面沉降,而且可以补给地下水资源,缓解水资源紧缺的矛盾,是贯彻可持续发展的重要措施。 再生水在回灌地下之前需要经过一定的处理,达到《城市污水再生利用地下水回灌水质》(GB／T 19772-2005)中的标准限值才可以进行回灌。再生水的深度处理工艺主要包括絮凝、过滤、吸附、反渗透、消毒。虽然工艺已经比较成熟,但是在絮凝剂的选择,特别是新型絮凝剂的研发、过滤滤料和吸附剂的选择等方面还可以进行更为深入的研究。此外,对再生水深度处理的工艺技术集成也有待进一步研究。 本论文以武汉市某城市污水处理厂二级出水为研究对象,以处理后回灌地下为研究目的,对天然矿物改性作絮凝剂、以适用于再生水的深度处理进行研究,规避使用传统絮凝剂后对水体造成二次污染或致毒的风险。实验内容包括：适用于再生水深度处理的膨润土改性方案、适用改性方案的参数优化、最佳污水处理参数的选取。最后以武汉某城市污水处理厂二级出水为处理对象,将已得成果应用于室内中试模拟实验。实验将PAC作为对比絮凝剂,研究改性膨润土用于污水深度处理一体化装置对污水的处理效果,判断其回灌地下的可行性,为野外实验基地工作的顺利开展提供理工基础和实验依据。 通过实验,得到如下重要结论： 1、选取焙烧活化(马弗炉焙烧、微波焙烧)、酸活化、铝柱撑改性、微波协同硫酸亚铁改性这四种常见的膨润土改性方案,确定适用于再生水深度处理的膨润土改性方案。通过实验研究得出结论：马弗炉焙烧和微波焙烧活化的改性产物,对再生水的处理效果较差,几乎不能对污水中的有机物和总磷进行去除；铝柱撑改性的产物对污水中的有机物及总磷有一定的去除效果,值得注意的是,再加入了微波活化的铝柱撑改性产物对污水中总磷的去除能力十分显著,说明微波对膨润土改性起着重要的作用；微波协同硫酸亚铁改性产物对有机物和总磷的去除效果最好,其去除率可达50%、20%左右。从微观结构分析,数据证明微波协同硫酸亚铁的改性方案能够有效增大膨润土的层间距,使其具有更强的吸附能力。故确定微波协同硫酸亚铁改性工艺为最佳膨润土改性方案。 2、实验对微波协同硫酸亚铁改性膨润土的工艺参数进行深入研究,探讨改性剂浓度、固液比、微波辐照功率、微波辐照时间对改性产品吸附性能的影响。实验得出：改性剂浓度、固液比、微波辐照时间对改性膨润土吸附性能的影响较大。改性剂浓度直接影响改性基团的大小和种类,从而影响膨润土的比表面积,由此决定改性产物吸附性能的强弱；固液比同样影响改性基团的浓度,若反应不充分,则会导致改性产物的吸附性能降低；微波加热能够在短时间内针对膨润土的内部分子进行加热,疏通孔道,使其失去层间水和结合水。但当微波辐照时间过长时,膨润土内部可能形成卷边,分子结构崩塌,从而影响改性膨润土对污水的处理效果。而微波辐照功率对改性膨润土吸附性能的影响不大。因此,最佳的改性参数为：改性剂浓度为0.75mol／L,固液比为1：9,微波辐照功率为420W,微波辐照时间为5min。 3、实验将上述实验研发的改性膨润土应用于污水处理,优化其使用参数,包括改性膨润土投加量、混凝时间、pH及温度。实验得出：改性膨润土最佳投加量为1.4g／L,最佳混凝时长为5min,pH宜控制在7～8的范围内,在室温或接近室温的条件下处理污水最为有效。 4、实验集成已得的研究成果,将改性膨润土、纤维球和MWB型活性炭应用于室内中试实验,并按照野外实验基地的实际参数制造出一套再生水预处理和深度处理一体化装置。实验证明：该模拟装置对污水中的悬浮物、有机物及总磷污染物的去除率均高于80%,出水除氮类污染物没有达到回灌标准限制外,其他指标均低于国标要求的限值。分析原因,可能由于进水水质和装置条件不利于硝化细菌的生长。同时,该室内中试还模拟了过滤、吸附柱的反冲洗步骤,实验证明一体化装置在多次反冲洗前后,能保持稳定运行,出水水质良好,无较大波动。 5、经计算得出,项目的运行成本为0.71元／m3污水。虽然稍贵于使用PAC作絮凝剂时的运行成本,但处理后产生的改性膨润土污泥可用于建筑材料、回填衬层等领域。并且改性膨润土作为一种新型天然矿物絮凝剂能在短时间自行沉降,真正具备了絮凝剂的基本性能,为今后的实验研究奠定了一定的理论和实践基础。 6、实验研究了微波协同硫酸亚铁改性提高膨润土吸附性能的机理：改性剂中的铁离子平衡了硅氧四面体上的负电荷,从而使层间的阳离子具有可交换性,因而增强了膨润土对阳离子的吸附能力。并且游离出的铁离子还能与污染物发生混凝反应,进而去除更多的污染物。另外,微波辐照能使得膨润土的晶体结构排列的更为紧密,增强其化学稳定性,从而能适用于不同的应用领域。 【关键词】：再生水 二级出水 预处理和深度处理 改性膨润土
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 前言14-19
• 1.1 问题的提出及研究意义14-17
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 水资源现状14-15
• 1.1.3 再生水回用15-16
• 1.1.4 研究的目的和意义16-17
• 1.2 再生水人工回灌17-19
• 1.2.1 再生水人工回灌的概念与意义17-18
• 1.2.2 国内外再生水人工回灌的研究现状18-19
• 第二章 膨润土的研究现状19-31
• 2.1 膨润土概述19-22
• 2.1.1 膨润土的概念19
• 2.1.2 膨润土的矿物学特征19-20
• 2.1.3 膨润土的基本性质20-22
• 2.2 膨润土的改性方法22-24
• 2.2.1 活化改性膨润土22-23
• 2.2.2 添加改性剂改性膨润土23-24
• 2.3 膨润土用于废水处理的国内外研究现状24-29
• 2.3.1 含重金属废水的处理24-25
• 2.3.2 含有机污染物废水的处理25-26
• 2.3.3 染料废水的处理26-27
• 2.3.4 工业废水的处理27-28
• 2.3.5 其他应用28-29
• 2.4 已有研究存在的不足29
• 2.5 本文研究内容、特色及创新29-31
• 2.5.1 研究思路29-30
• 2.5.2 研究内容30
• 2.5.3 研究特色及创新30-31
• 第三章 实验方法、试剂和仪器31-34
• 3.1 测定指标和方法31
• 3.2 实验材料、主要试剂和仪器31-34
• 3.2.1 实验材料31
• 3.2.2 实验主要药品、试剂31-33
• 3.2.3 实验仪器33-34
• 第四章 几种常见改性膨润土的制备方法与表征34-39
• 4.1 实验部分34-35
• 4.1.1 焙烧改性膨润土的制备34
• 4.1.2 铝柱撑改性膨润土的制备34
• 4.1.3 酸改性膨润土的制备34-35
• 4.1.4 微波协同硫酸亚铁改性膨润土的制备35
• 4.1.5 改性膨润土产品用于污水处理的实验研究35
• 4.2 结果与讨论35-38
• 4.2.1 XRD分析35-36
• 4.2.2 改性膨润土产品用于污水处理的效果对比分析36-38
• 4.3 本章小结38-39
• 第五章 微波协同硫酸亚铁改性膨润土的工艺优化39-45
• 5.1 实验部分39-40
• 5.1.1 不同改性剂浓度下改性膨润土的制备39
• 5.1.2 不同固液比下改性膨润土的制备39
• 5.1.3 不同微波辐照功率下改性膨润土的制备39
• 5.1.4 不同微波辐照时间下改性膨润土的制备39-40
• 5.1.5 各改性样品用于污水处理的实验研究40
• 5.2 结果与讨论40-43
• 5.2.1 改性剂浓度对改性膨润土吸附效果的影响40-41
• 5.2.2 固液比对改性膨润土吸附效果的影响41-42
• 5.2.3 微波辐照功率对改性膨润土吸附效果的影响42
• 5.2.4 微波辐照时间对改性膨润土吸附效果的影响42-43
• 5.3 本章小结43-45
• 第六章 微波协同硫酸亚铁改性膨润土处理二级出水最佳参数的选取45-50
• 6.1 实验部分45-46
• 6.1.1 改性膨润土投加量的调节45
• 6.1.2 混凝时长的调节45
• 6.1.3 pH值的调节45
• 6.1.4 温度的调节45-46
• 6.2 结果与讨论46-49
• 6.2.1 改性膨润土投加量对污水处理效果的影响46-47
• 6.2.2 混凝时长对污水处理效果的影响47
• 6.2.3 pH值对污水处理效果的影响47-48
• 6.2.4 温度对污水处理效果的影响48-49
• 6.3 本章小结49-50
• 第七章 WFE型改性膨润土用于室内中试模拟实验的研究50-60
• 7.1 实验部分50-52
• 7.1.1 污水预处理和深度处理一体化装置的构建组成50-51
• 7.1.2 污水预处理和深度处理一体化装置的运行参数51-52
• 7.2 结果与讨论52-58
• 7.2.1 污水预处理和深度处理一体化装置的运行情况52-53
• 7.2.2 出水水质与国标的对比结果53-58
• 7.3 经济成本分析58-59
• 7.4 本章小结59-60
• 第八章 机理初探60-64
• 8.1 XRD衍射结果与分析60-62
• 8.2 微波-硫酸亚铁改性机理探讨62-64
• 第九章 结论与展望64-66
• 9.1 结论64-65
• 9.2 展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-70

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