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复合改性沸石在水库供水水质净化中效果探析

2025-04-13 45 上传者：管理员

摘要：为提高水库供水水质净化效果，文章首次在沸石中添加高锰酸钾形成改性沸石，并结合室内试验方式，探讨复合改性沸石在水库供水水质净化中效果。结果表明：与传统单一沸石相比，复合改性沸石可明显降低水体中氨氮、总磷及高锰酸盐指数。通过建立复合改性沸石的吸附率动态方程，可为其配置提供重要参考价值。

关键词：
农用化学品
复合改性沸石
水库供水
水质净化
高锰酸钾
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针对饮用水源,一定浓度的天然有机物所形成合成物会产生不同程度的污染｡近年来,随着工业和城市化发展,农用化学品类型和数目不断增加,引发水库供水水源污染类型变化复杂多样[1]｡随着社会经济发展,对供水水源水质标准要求越来越高｡当前,水质净化工艺主要通过沉淀池进行消毒和过滤已经很难满足对水源高标准的要求[2]｡随着水质净化工艺的成熟,国内对水质净化取得不少研究成果[3-7]｡其中,微污染水处理方式通过采用高级氧化技术[8]､超滤膜技术[9]来对供水水源进行净化,此类净化工业在降低水源中污染物的同时又降低净化工艺对水源中合成有机污染物的影响｡但微污染水源处理工业由于技术和经济条件要求较高,推广和应用相对较难｡目前,通过在水源中添加吸附剂对污染物进行吸附成为性价比较优的工艺｡常用的吸附剂包括沸石[10]､活性炭[11]､硅藻土[12]及黏土｡其中,沸石与其他类型吸附剂,由于工艺相对简单,在国内许多供水水源净化中得到具体应用[13-15]｡但传统单一沸石对供水水源净化效果较弱,且效率不高｡为提高供水水质净化效率,下文首次在沸石中添加高锰酸钾形成改性沸石,结合室内试验方式,探讨复合改性沸石在水库供水水质净化中效果｡研究成果对于沸石在供水水质净化推广和应用提高具有参考价值｡

1、试验方法

试验中,在沸石吸附柱内的原水加入氧化后的高锰酸钾,并对高锰酸盐指数､氨氮在经过净化处理后的浓度进行测定｡3支并联有机玻璃柱形成沸石吸附柱,10､100cm分别为试验柱内径和高度｡采用辽宁本溪观音阁水库供水水源作为原水,过流酸钾溶液和硫酸溶液配比均为1∶1,抗坏血酸和钼酸盐溶液的浓度均为100g/L,1%为氢氧化钾和盐酸溶液质量｡斜发沸石为本次试验采用的沸石类型｡

2、试验原理

通过电动搅拌方式来模拟水厂净化工艺,以250､60r/min分别作为快速和慢速搅拌速率来进行设置,搅拌时间分别为2､10min,检验试剂主要采用上层清液进行测定｡水源预处理时,在混凝剂中加入高锰酸钾,维持150r/min速率进行10min均匀搅拌后,在沸石填充柱内对水源进行污染物吸附试验,填充高度､原水水样污染物浓度,以及搅拌转速试验主要测定参数｡在吸附试验后对氨氮和总磷进行测定,并建立不同温度条件下污染物吸附动力学方程,对不同时间内复合改性沸石对氨氮和总磷污染物浓度削减率进行测定｡不同级别吸附动力学计算公式:

式中,qe—单位质量沸石吸附的污染物质量,mg/kg;qt—单位质量沸石在t时段下污染物吸附质量mg/kg;K1—各级污染物吸附方程动力系数;t—运行时间,min｡

在沸石一级动力学方程基础上,对其进行二级吸附方程转换计算:

式中,K2—各级污染物吸附方程动力系数｡

在2级沸石吸附方程分析基础上进行复合改性沸石动力学计算:

式中,A—吸附面积,m2;Kt—运行时段t内污染物吸附方程动力系数｡

3、复合改性沸石净化试验

3.1搅拌转速对污染物吸附浓度影响

在预先处理的水源中加入高锰酸钾进行静态试验测定,对复合改性沸石柱每隔一段时间按照一定转速进行搅拌后对污染物吸附浓度进行测定,对不同搅拌转速下污染物浓度吸附规律进行试验分析,试验结果见表1｡

表1不同搅拌转速下污染物吸附浓度变化

从表1可看出,总磷和氨氮浓度在采用复合改性沸石填充柱受搅拌速度影响较为明显,搅拌转速越快其污染物浓度出现稳定变化的速率越快,吸附时间越长其搅拌转速相对越低｡氨氮和总磷吸附浓度在沸石柱吸附初期具有非常低的浓度,当运行时间高于8h后污染物吸附浓度逐步增加,吸附柱体当搅拌速率增加到16cm/min时,污染物吸附浓度逐步趋于饱和,水体在沸石柱中的净化逐步趋于稳定变化｡而当搅拌转速在13cm/min时,污染物吸附浓度在24h后逐步趋于饱和｡因此,沸石柱的穿透时间,在一定高度沸石层条件下,可通过调整搅拌转速来进行污染物吸附浓度的调控和优化｡

3.2填充高度对污染物吸附浓度影响

在不同高度对复合改性沸石进行填充后,沸石柱通过蠕动泵对原水进行至上而下净化试验,通过沸石对氨氮和总磷浓度受填充高度影响进行试验,试验结果见表2｡

表2不同填充高度下污染物吸附浓度变化

从表2可看出,同一流量下沸石柱高与运行时间成正比,随着沸石柱高度递增其运行时间也相应增加｡微污染水首先和较高沸石柱进行交换,通过等离子吸附交换后,原水中氨氮和总磷浓度逐步趋于稳定变化,当下层沸石产生吸附交换保护层后,污染物浓度逐步增加｡随着沸石柱填充高度增加,沸石对氨氮和总磷吸附速率有所减慢｡

3.3复合改性沸石不同投加量及吸附时间影响

在100mL水样中加入不同粒径复合改性沸石,在180min恒温试验条件下采用0.45μm滤膜对污染物进行复合改性沸石不同投加量下吸附影响试验,试验结果见表3—4｡

表3不同沸石投放量下污染物吸附率试验结果

从表3可看出,氨氮和总磷吸附率随着随复合改性沸石投加量增加而逐步提升,污染物浓度递增率在投放量变化而有所降低｡在100mL水样中当复合改性沸石投放量达到6g后,其污染物吸附率逐步趋于稳定变化,复合改性沸石对污染物吸附总体趋于平衡｡氨氮吸附效果对于相同复合改性沸石投放量下要好于总磷｡每100mL水样中添加6g复合改性沸石时,逐步达到最优吸附效果,污染物吸附率均在75%以上｡从表4可看出,随着吸附时间增加污染物吸附率逐步加大,在吸附初期的180min内污染物吸附程度有所提升,随着吸附时间的递增,污染物吸附率增幅有所降低｡当沸石趋近于饱和状态时沸石对氨氮和总磷吸附率有所递减,在240min后各污染物吸附率逐步趋于稳定变化,该时间为最优吸附运行周期｡

表4不同吸附时间下污染物吸附率试验结果

3.4不同粒径对污染物吸附率影响

当采用最佳投放量下,重点对不同粒径下复合改性沸石对氨氮和总磷吸附率影响,试验结果如图1所示｡

图1氨氮和总磷吸附率受复合改性沸石粒径影响试验结果

从图1可看出,大粒径复合改性沸石其吸附容量相对越高,因此对污染物吸附能力也相对越强｡复合改性沸石吸附表面越高其吸附扩散速率也越高,对于单位质量沸石而言粒径越小其可交换活性数目也相对越高｡粒径较大沸石由于造成吸附面积减小从而降低污染物吸附率｡通过综合对比试验,当复合改性沸石粒径在30~100目,其沸石效果可达到最优,此粒径对应的氨氮和总磷吸附率均在80%以上｡

4、复合改性沸石吸附方程

考虑到原水温度对复合改性沸石吸附能力的影响,按照不同温度分别建立一级､二级以及综合吸附方程,并对方程相关系数进行检验,结果见表5｡

表5不同水温条件下复合改性沸石吸附方程

从表5可看出,吸附速率可通过建立单位时间内污染物吸附质量和单位吸附剂之比得到｡污染物吸附速率决定吸附效果,复合改性沸石主要通过3个部分进行关联试验｡①通过对沸石表层吸附离子进行扩散,吸附速率和表层吸附离子扩散速率具有较强关联程度｡②从吸附粒子表层通过复合改性沸石液膜进行内部扩散,在沸石气相细孔内对原液中污染物吸附粒子进行扩散;在吸附表面,进行孔壁分子的扩散｡各级水温调节下污染物吸附方程总体具有较好相关性,相关系数均在0.8以上｡通过本文建立的各类吸附方程,可用于分析复合改性沸石对污染物吸附程度｡

5、结论

(1)为提高复合改性沸石对污染物吸附效率,可添加1.0mol/L的氯化镁盐,来降低水温条件对其吸附效果影响,可将污染物吸附效率平均提升5.2%｡

(2)复合改性沸石对污染物吸附率受运行时间影响明显｡当吸附时间在180~240min以内,其吸附效果可达到最佳｡

(3)高锰酸钾指数在沸石中最优添加量,本文未进行相关分析｡存在的研究不足,将在后续研究中重点对高锰酸钾指数的最优添加比例进行分析｡

参考文献:

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