固定床反应器处理含Fe（II）酸性废水的最佳运行方式研究

固定床反应器处理含Fe（II）酸性废水的最佳运行方式研究

于鑫赫，耿莘惠，刘羡鱼，盖科函

沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167

摘要：本研究采用膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂作为固定床吸附反应器的填料，研究该反应器处理酸性矿山废水（AMD）的最佳运行方式。对比研究升流淹没式、降流淹没式、降流非淹没式吸附柱对AMD中Fe（II）和H+的去除效果，以及反冲洗后三种运行方式的处理效果，确定小型连续流反应器的最佳运行方式。实验结果表明：3种运行方式对Fe（II）的吸附容量关系为：降流非淹没式（60.923 mg/g）＞升流淹没式（53.612mg/g）＞降流淹没式（32.079mg/g），能够中和AMD中的酸度。因此，固定床吸附反应器的最佳运行方式为降流非淹没式。

关键词：膨润土；固定床；重金属；降流非淹没式

目前酸性矿山废水的处理方法较多，如吸附法、生物法、化学法等等，吸附法吸附效果好。本研究采用膨润土和钢渣二者复合后的材料作为新型吸附剂，同时降低酸性矿山废水中的酸度和重金属离子。实际工程处理水量大，同时是连续流的条件，本研究通过固定床吸附反应器的动态试验研究，来确定最佳运行方式，为实际工程提供理论依据。

1 试验部分

1.1 试验材料及仪器

本试验中的Fe（II）由FeSO4·7H2O（分析纯）配置，浓度为100 mg·L-1；试验过程中用到的无水Na2CO3、浓H2SO4、NaOH、乙二醇均为分析纯。

将烘干后的钠基膨润土和钢渣粉末按5:5的质量比混合，加入5%的Na2CO3，用玻璃棒搅匀，加入适量蒸馏水。密封置于避光处陈化12 h，制成粒径为10～20目的小球，于避光通风处再次陈化12 h。将复合颗粒放入坩埚中置于马弗炉内，500℃焙烧60 min后，取出坩埚，颗粒自然冷却至室温，制成膨润土-钢渣复合颗粒吸附剂。

试验所用到的仪器为：原子吸收分光光度计、pH计、箱式马弗炉、电子天平、电热鼓风干燥箱。

1.2 实验方法

将55g的复合颗粒填装入3个有机玻璃柱内，从左至右依次为1#、2#、3#，如图1所示。1#柱为升流淹没式的运行方式：模拟水样经蠕动泵从下至上送入柱子内，控制流速1mL·min-1。2#柱为降流非淹没式的运行方式：模拟水样以1mL·min-1流速从吸附柱上端中央进水，避免发生短流现象。3#柱为降流淹没式的运行方式：启动前期，将柱子底端出水阀A口关闭，模拟水样以1mL·min-1的流速自上而下流入吸附柱内，之后再开启柱子下端阀门，调节流量计，保证进、出水流速相等。三个柱子均采用连续进水、连续出水的运行方式。每天8:00进行取样，测量流出液的体积、pH值及Fe（II）的质量浓度，得到吸附柱对Fe（II）的吸附穿透曲线，穿透点前处理的水样体积记为穿透体积。

图1装置示意图

2 结果与讨论

2.1 不同运行方式对Fe（II）去除效果的对比研究

由图2可知，1#、2#、3#柱的床层穿透时间tb分别为第6天、第5天、第6天。同床层耗竭时间te变化相反，1#、2#柱的耗竭时间te分别为第46天、第57天，2#的耗竭时间相对较长。3#柱则在第21天停止运行，此时3#柱下层的吸附作用还未得到充分发挥。前20天内，1#柱的出水Fe(II)浓度始终小于2#柱和3#柱，20天后反超2#柱。这是因为水在自下而上流过吸附柱时，液面抬升的同时使Fe(II)与吸附剂充分接触，提高了复合颗粒的吸附效率，床层自下而上逐渐达到吸附饱和，所以运行初期1#柱出水浓度较低。其次，2#柱在12天~36天时对Fe（II）的去除效果仍较好，可能是由于Fe（II）与OH-在有氧环境下生成高价铁的氢氧化物，附着在颗粒表面形成“铁质活性滤膜”，由于2#柱内有空气流通，吸附在“活性滤膜”上的Fe（II）会在其催化作用下迅速氧化，生成物继续参与反应。可见降流非淹没式的运行方式对Fe(II)的处理效果最佳。

图2不同运行方式出水Fe（II）随时间的变化情况

2.2 不同运行方式对H+去除效果的对比研究

由图3可知，三种运行方式pH的变化均随时间延长以先快后慢的方式降低，直至趋于4.5左右。前5天，1#、3#柱的出水pH略高于2#柱，随后被2#柱反超，这是因为采用淹没式的进水方式可使床层与水样充分接触，加快了颗粒中OH-的释放，所以在运行初期出水pH高于非淹没式。综合比较确定降流非淹没式为处理含Fe（II）AMD的最佳运行方式。

图3 不同运行方式出水pH值随时间的变化情况

3、结论

1#、2#、3#柱对AMD中Fe（II）的去除效果为：2#>1#>3#。表面水力负荷为4.584 m3/(m2∙d) 、HRT为53 min时，3种运行方式的吸附工作周期为46天、57天、21天，吸附容量分别为的53.612 mg/g、60.923 mg/g、32.979 mg/g。所以固定床吸附反应器处理酸性含铁废水的最佳运行方式为降流非淹没式。

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基金项目：沈阳城市建设学院2023年大学生创新创业训练计划项目，项目号：202313208116