麦饭石及其改性处理微污染水动态实验研究

狄军贞，安文博，戴男男，朱志涛，江富，任亚东，赵前程

（辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新123000）

麦饭石及其改性处理微污染水动态实验研究

狄军贞，安文博，戴男男，朱志涛，江富，任亚东，赵前程

（辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新123000）

针对微污染水氨氮浓度高、有机物难降解等问题，进行了麦饭石及其改性处理微污染水的动态实验研究，探讨了不同改性方法处理的麦饭石对微污染水浊度、氨氮和COD的去除效果。结果表明，经Na2SO4改性的麦饭石对微污染水的处理效果较好，浊度、氨氮和COD的平均去除率分别为96.57%、67.25%、74.79%，出水浊度、氨氮和pH均可达到饮用水标准，出水COD可达到集中式生活饮用水的Ⅱ类标准。

麦饭石；改性；微污染水；动态实验

近年来随着工业的发展、城市化进程的加速以及农用化学品种类和数量的增加，许多水源已经受到不同程度的污染，部分水质指标超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水体标准的要求〔1〕。目前，常规净水工艺不能有效地去除微污染水源水中的有机物以及氨氮等污染物，无法满足人们对饮用水安全性的要求〔2〕。麦饭石作为一种新兴的材料主要优势在于：（1）麦饭石为多孔介质材料，可有效地去除水中污染物，尤其是氨氮；（2）麦饭石可释放有益身体健康的营养元素，调节出水pH；（3）麦饭石廉价、易得，且化学性质稳定〔3-5〕。选择麦饭石作为吸附材料对混凝处理后的微污染水进行再处理，不仅可实现污染物的去除，还可以提供生物体所需的营养元素，是值得开发利用的新型处理材料。本研究以麦饭石、热改性麦饭石以及盐改性麦饭石作为吸附材料，通过动态实验探讨了不同改性方法处理的麦饭石对微污染水源水浊度、氨氮和COD的去除效果，以期为麦饭石作为活性材料处理微污染水源水的工程应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用麦饭石取自辽宁阜新。实验前将麦饭石粉碎至0.2～0.5mm，用蒸馏水冲洗2～3次，以洗去表面悬浮物，然后于105℃烘箱中烘干。

热改性麦饭石：称取上述经预处理的麦饭石100 g置于坩埚中，然后放入箱式马弗炉中在300℃条件下煅烧1 h，自然冷却后装袋备用。

Na2SO4改性麦饭石：称取100 g上述经预处理的麦饭石置于500mL锥形瓶中，加入250mL 0.5 mol/L的Na2SO4溶液并将锥形瓶封口。置于摇床中，于100 r/min下振荡2 h，取出，用蒸馏水冲洗干净，然后于烘箱中烘干，备用。

1.2 实验装置及方法

实验共设置3个内径55mm、高度350mm的有机玻璃柱，动态柱由下至上依次放置纱布（防止吸附材料堵塞出水口）、20mm的石英砂（保护层）、250mm的吸附材料、20mm的石英砂（保护层）。吸附材料：1#柱为未改性麦饭石，2#柱为热改性麦饭石，3#柱为Na2SO4改性麦饭石。动态柱采用连续运行的方式，上端进水下端出水，流速选择2秒加入1滴，即2.4 L/d，通过蠕动泵和流量计控制。动态实验装置见图1。

图1 动态实验运行装置

1.3 实验用水水质及检测方法

实验用水取自阜新某公园水。实验期间，该河水pH为6.60～6.79，浊度为4.8～9.6 NTU，氨氮为1.01～1.94mg/L，CDO为33～58mg/L。根据该公园水的水质特性，将混凝处理后的出水作为动态柱的进水，此时，水的pH为6.73，浊度为2.76NTU，氨氮为1.25mg/L，COD为29.85mg/L。

检测方法：pH采用玻璃电极法进行测定；浊度采用浊度计法进行测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法进行测定；COD采用快速消解分光光度法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 pH的变化规律

出水pH的变化如图2所示。

由图2可知，1#、2#、3#动态柱出水平均pH分别为6.66、6.66、6.70，其中3#动态柱对pH的调节能力比较强。钠盐改性后的麦饭石具有较大的空隙结构，而麦饭石对溶液pH的调节能力主要取决于其空隙结构〔5〕，空隙结构大利于Al元素从硅酸盐矿物中析出，使得其pH调节能力比较强。

图2 出水pH的变化

2.2 对浊度的去除效果

对浊度的去除效果如图3所示。

图3 对浊度的去除效果

由图3可知，1#、2#、3#动态柱对浊度的平均去除率分别为94.96%、95.63%、96.57%。各动态柱对水中浊度的去除主要是填料对絮凝体的机械截留和吸附作用，去除效果主要取决于滤料所具有的表面积〔6〕。实验结果表明，3#动态柱对浊度的去除效果优于1#、2#动态柱，这主要是因为盐改性麦饭石的孔体积和平均孔半径比未改性麦饭石及热改性麦饭石均增加，比表面积比热改性麦饭石增加了0.2 m2/g〔7-8〕。2#动态柱对浊度的去除效果优于1#动态柱，其原因是麦饭石经热改性后表面孔结构较未改性麦饭石增大，断裂的边缘呈锯齿形，孔口全部张开，改性后孔口可增大20 nm〔9〕，孔径增加，比表面积增加，对溶液中絮凝体的截留和吸附作用增强，因此，去除率较高。

2.3 对氨氮的去除效果

对氨氮的去除效果如图4所示。

图4 对氨氮的去除效果

由图4可知，1#、2#、3#动态柱对氨氮的平均去除率分别为57.86%、60.35%、67.25%，3#动态柱对氨氮的去除效果最佳。钠盐改性麦饭石去除氨氮的主要形式是离子交换，麦饭石经钠盐改性后孔道中的Ca2+、Mg2+被溶液中的Na+置换，而SO42-体积比较大，不会占据麦饭石的孔道〔10〕，由此钠盐改性麦饭石在孔道增加的基础上离子的交换能力也相应提高，对氨氮的去除效果得以提升。尽管麦饭石经过热处理后表面开裂，孔道分布更均匀，晶粒数量增加，表面积增大，吸附能力提高〔11〕，但热改性只对物理吸附有帮助，因此其对氨氮的去除效果不及盐改性麦饭石。1#动态柱对氨氮的去除效果最差是因为随着反应的进行，吸附材料基质达到饱和，导致氨氮去除率下降。

2.4 对COD的去除效果

对COD的去除效果如图5所示。

图5 对COD的去除效果

由图5可知，1#、2#、3#动态柱对COD的平均去除率分别为63.50%、65.99%、74.79%。各动态柱对水中COD的去除主要是吸附材料的吸附或截留等物理过程以及吸附材料表面微生物的同化吸收〔12〕。实验结果表明，2#、3#动态柱对COD的去除效果比1#动态柱要好，这主要是因为热改性和盐改性可通过清除麦饭石孔道内结晶水和置换孔道内离子的方法，增加孔道粒径，进而增加了麦饭石的表面积，因此，改性麦饭石对COD的去除效果要优于未改性麦饭石。另外，由于盐改性方法对麦饭石孔道空隙的提高效果要优于热改性，使3#动态柱对COD的去除效果优于2#动态柱。

3 结论与建议

（1）选择未改性麦饭石、热改性麦饭石和Na2SO4改性麦饭石对经混凝处理的微污染水进行处理，浊度去除率可达到90%以上，氨氮去除率达到30%以上，COD去除率达到40%以上，出水pH可稳定维持在6.6～6.9。

（2）经过对比发现，Na2SO4改性麦饭石对微污染水的处理效果较好，浊度、氨氮和COD的平均去除率分别为96.57%、67.25%、74.79%，出水浊度、氨氮和pH均可达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的要求，COD可达到《生活饮用水集中式供水单位卫生规范》Ⅱ类标准。

（3）实验结果表明，Na2SO4改性麦饭石对微污染水的处理效果很好。因此应进一步研究Na2SO4浓度、改性时间、改性温度等因素对Na2SO4改性麦饭石处理微污染水效果的影响，确定最优改性条件，使其对微污染水的处理效果达到最佳。

［1］叶少帆，王志伟，吴志超.微污染水源水处理技术研究进展和对策分析［J］.水处理技术，2010，36（6）：22-28.

［2］潘碌亭.中国微污染水源水处理技术研究现状与进展［J］.工业水处理，2006，26（6）：6-10.

［3］李娟，张盼月，高英，等.麦饭石的理化性能及其在水质优化中的应用［J］.环境科学与技术，2008，31（10）：63-66.

［4］牛佳.麦饭石的研究现状及发展展望［J］.中山大学研究生学刊：自然科学、医学版，2013，34（2）：71-77.

［5］王恩雷，周凌嘉，李洋.麦饭石调节溶液pH的影响因素［J］.辽宁科技大学学报，2010，33（3）：276-278.

［6］高欣.均质滤料微絮凝过滤处理微污染水源水的试验研究［D］.西安：长安大学，2006.

［7］王斌.南阳麦饭石性能及改性研究［D］.郑州：郑州大学，2009.

［8］林辉.平海麦饭石的改性试验研究［J］.福州大学学报：自然科学版，2004，32（5）：588-590.

［9］王银叶，马育莲，史艳娇.活性麦饭石孔结构的探讨及应用［J］.天津化工，2003，17（2）：7-9.

［10］王斌，张保林，崔伟丽，等.盐溶液改性南阳麦饭石的研究［J］.化学矿物与加工，2009（8）：17-21.

［11］陈琳荔.蠡河水环境质量评价及水体脱氮研究［D］.江苏：江南大学，2014.

［12］汤显强，李金中，李学菊，等.室内中试人工湿地无植物填料床去污性能研究［J］.农业环境科学学报，2007，26（增刊）：430-433.

Dynam ic experimentalstudy on the treatmentofm icro-polluted waterbymedicalstone and itsmodification

Di Junzhen，AnWenbo，DaiNannan，Zhu Zhitao，Jiang Fu，Ren Yadong，Zhao Qiancheng
（CollegeofArchitecture Engineering，Liaoning TechnicalUniversity，Fuxin 123000，China）

Aimingat the problems thatmicro-pollutedwater is characterized by high concentration ofammonianitrogen，difficult degradation of organic substances，etc.，dynamic experimentalstudy on the treatmentofmicro-polluted waterbymedicalstone and itsmodification have been conducted.The removingeffectson turbidity，ammonia-nitrogen and COD ofmicro-polluted water by differentmodificationmethods treatedmedicalstone are discussed.The results show that the removing effectof themedical stonemodified by Na2SO4onmicro-polluted water is better.The average removing ratesof turbidity，ammonia-nitrogen and COD are 96.57%，67.25%and 74.79%，respectively.The turbidity，ammonia-nitrogen and pH of the effluent could reach the drinking water standard，and the COD of the effluentcould reach the2nd-levelstandard ofcentralized domestic drinkingwater.

medicalstone；modification；micro-polluted water；dynamic experiment

X703

A

1005-829X（2016）06-0025-04

狄军贞（1979—），博士，副教授。电话：13941889524，E-mail：dijunzhen@126.com。

2016-03-17（修改稿）

国家自然科学基金资助项目（41102157，51304114）；污染控制与资源化研究国家重点实验室开放课题（PCRRF12015）；辽宁省自然科学基金资助项目（2015020619）