Applied Surface Science 305 (2014)

Applied Surface Science 305 (2014) 337–346


Contents lists available at ScienceDirect

Applied Surface Science


jou rn al h om ep age: www.elsevier.com/locate/apsusc




Reuse of acid coagulant-recovered drinking waterworks sludge residual to remove phosphorus from wastewater

Lan Yang a,b , Jie Wei b , Yumei Zhang b , Jianli Wang a,∗ , Dongtian Wang b,∗

a College of Chemical Engineering and Materials Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, PR China
b Jiangsu Key Laboratory of Environmental Functional Materials, College of Chemical, Biological and Materials Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, PR China


a r t i c l e i n f o

a b s t r a c t

Article history:
Received 15 November 2013
Received in revised form 8 February 2014
Accepted 14 March 2014
Available online 21 March 2014

Keywords:
Drinking waterworks sludge Coagulant recovery Phosphorus removal Precipitation
Adsorption

Acid coagulant-recovered drinking waterworks sludge residual (DWSR) is a waste product from drinking waterworks sludge (DWS) treatment with acid for coagulant recovery. In this study, we evaluated DWSR as a potential phosphorus (P) removing material in wastewater treatment by conducting a series of batch and semi-continuous tests. Batch tests were carried out to study the effects of pH, initial concentration, and sludge dose on P removal. Batch test results showed that the P removal efficiency of DWSR was highly dependent on pH. Calcinated DWSR (C-DWSR) performed better in P removal than DWSR due to its higher pH. At an optimum initial pH value of 5–6 and a sludge dose of 10 g/L, the P removal rates of DWSR and DWS decreased from 99% and 93% to 84% and 14%, respectively, and the specific P uptake of DWSR and DWS increased from 0.19 and 0.19 mg P/g to 33.60 and 5.72 mg P/g, respectively, when the initial concentration was increased from 2 to 400 mg/L. The effective minimum sludge doses of DWSR and DWS were 0.5 g/L and 10 g/L, respectively, when the P removal rates of 90% were obtained at an initial concentration of 10 mg/L. Results from semi-continuous test indicated that P removal rates over 99% were quickly achieved for both synthetic and actual wastewater (lake water and domestic sewage). These rates could be maintained over a certain time under a certain operational conditions including sludge dose, feed flow, and initial concentration. The physicochemical properties analysis results showed that the contents of aluminum (Al) and iron (Fe) in DWSR were reduced by 50% and 70%, respectively, compared with DWS. The insoluble Al and Fe hydroxide in DWS converted into soluble Al and Fe in DWSR. Metal leaching test results revealed that little soluble Al and Fe remained in effluent when DWSR was used for P removal. We deduced that chemical precipitation might be the major action for P removal by DWSR and that adsorption played only a marginal role.
© 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.





Introduction

Huge amounts of drinking waterworks sludge (DWS) are gener- ated by water treatment plants everyday in China, as among most other countries worldwide. The management of DWS has become an increasingly important environmental issue [1–4]. DWS, an inevitable waste by-product, contains particulate solids, colloids, and some natural organic materials reacted or adsorbed by iron (Fe) and/or aluminum (Al) hydroxide from raw water supplies. There- fore, the Fe/Al content in DWS is relatively higher. To this point, the


∗ Corresponding authors at: Suzhou University of Science and Technology, Chem- istry Biological and Material Engineering, 1 Kerui Road, Huqiu District, Suzhou, Jiangsu 215009, China. Tel.: [phone]; fax: [phone].
E-mail addresses: [e-mail], [e-mail] (D. Wang).

reuse of DWS as a beneficial material has been widely investigated. Among such beneficial reuses, metal hydroxide recovery from DWS suspensions has become a research focus in previous studies. The technical and economic aspects of Al recovery from DWS have been reported as early as 1976 [5]. The most common ways of coagulant recovery were acidification and alkalization [6–8] and the key varying condition was pH [9]. The dynamics of coagu- lant recovery process by acidification have been deeply explored [10] and ultrasound assisted acidification for coagulant recovery was proposed recently [11]. Other approaches for coagulant recov- ery such as ion exchange and membrane process have also been reported [12,13]. Decades of research have been devoted to deter- mining the optimal conditions for coagulants recovery from DWS and to evaluating the effects of recovered coagulants on wastewa- ter treatment. The effect of pH on Al speciation and concentration in sludge has been investigated [14,15]. The reuse of Fe and Al

http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.03.081
0169-4332/© 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.


Raw water



Al/Fe salts


Coagulation and sedimentation


Drinking water

efficiency from wastewater by DWSR and to understand the mech- anisms of P removal by DWSR. Semi-continuous tests were then carried out to explore the effective operation time within which the
Adsorbent

Drinking waterworks sludge (DWS)

Acid

higher P removal efficiency is maintained under varied conditions such as sludge dose, feed flow, and initial concentration.

Recovered coagulant Separation


Coagulant recovery



Materials and methods

Wastewater treatment

Acid coagulant-recovered DWS residual (DWSR)

Preparation of sludge and wastewater samples

Fig. 1. Flow chart of DWSR generation and re-utilization.


recovered from DWS in chemically enhanced primary treatment [16,17] and in coastal landfill site wastewater has been reported [18]. Although information on several applications of recovered coagulants is available in the open literature, limited information exists in peer-reviewed literature regarding the disposal of acid drinking waterworks sludge residues (DWSR) generated from coag- ulant recovery processes. DWSR is generally characterized by low pH and a certain amount of dissolved metals (Al, Fe), resulting in some environmental problems [19]. Thus, DWSR cannot be dis- posed by landfill directly without any treatment. Furthermore, the current trend of research and development in sludge treatment is to make full use of the active ingredients in sludge to achieve resource recovery. It is fair to say that the proper reuse of DWSR will not only reduce its negative influences on the environment, but also derive further benefit from the waste product, which in turn will offset a portion of the disposal cost relating to the acid sludge residual treat- ment. Therefore, the beneficial reuse of DWSR is worthy of scientific investigation. Fig. 1 displays the flow chart of DWSR generation and re-utilization.
The promising use of DWS as a low cost adsorbent for contami- nants removal such as phosphorus [20,21], mercury [22], arsenate [23–25], fluoride [26], hydrogen sulfide [27], boron [28], perchlo- rate [29], glyphosate [30], and selenium [31] from wastewater has been widely investigated and successfully reported. In particular, the use of DWS for P removal from wastewater is one of the most frequently studied specialty areas because the relative abundance of Fe/Al, latent active ingredients, in DWS gives it a highly reac- tive surface and a considerable affinity for P. Some basic studies for the influence of DWS on phosphorus solubility and leaching had been conducted about ten years ago [32,33]. Afterwards, a series of related research on the use of DWS for phosphorus removal were carried out, such as effect of ageing on DWS [34], adsorption effectiveness for different phosphate species [35,36], equilibrium and kinetic analysis [37], effect of organic acids [38], different kinds of DWS [39], and different types of wastewater [40] on P removal.
The content of Fe/Al in DWSR was lower than that of DWS due to the coagulants recovery. However, the Fe/Al components in DWS were in the form of insoluble metal (Al/Fe) hydroxides [41,42]. The characteristics of DWSR were different from that of DWS, as some of the Fe/Al contents in DWSR were dissolved species due to acidifi- cation treatment [43] and the dissolved Fe/Al existed as the form of
Fe3+ /Al3+ at low pH [44]. The soluble Fe3+ /Al3+ in DWSR could result
in environmental problems, an issue that requires further atten- tion [45]. Previous research has shown that the Fe/Al contents in dissolved species could directly provide a supply for P removal by precipitation [21]. Inspired by this, we proposed reusing DWSR as a phosphorus removing substance in wastewater treatment. It was hypothesized that DWSR would be a suitable medium for P removal based on its specific characteristics. Therefore, the objective of this study was to verify the feasibility of reusing DWSR to remove P from wastewater. A series of batch tests were conducted to study the effects of pH, P concentration, and sludge dosage on P removal

The dewatered DWS samples were collected from New District Waterworks of Suzhou, China. This plant utilizes both Fe and Al salts as coagulants to flocculate suspended particles and colloids during drinking water treatment. DWS is produced following the addition of these coagulants. In the laboratory, DWS was allowed to air-dry
at room temperature (28 ◦C) for about 3 weeks. The dried DWS was
ground in a grinder and subsequently homogenized by sieving. A
certain amount of DWS particles was calcined in a muffle furnace at
500 ◦C for 4 h. Calcinated DWS is designated as C-DWS. The major-
ity of volatile organic, which may pollute the treated wastewater, can be removed from sludge through calcination and the specific surface areas of sludge can be

Kết quả (Việt) 1:

Áp dụng các bề mặt khoa học 305 (2014) 337-346Nội dung danh sách có sẵn tại ScienceDirectKhoa học ứng dụng bề mặtJou rn al h om ep tuổi: www.elsevier.com/locate/apsusc Tái sử dụng axit phục hồi coagulant uống máy nước bùn dư để loại bỏ phốt pho từ xử lý nước thảiLan Yang a, b, b Jie Wei, Yumei Zhang b, tiệm ly Wang a, ∗, Dongtian Wang b, ∗một trường đại học kỹ thuật hóa học và khoa học vật liệu, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, Trung Quốcb Jiangsu phòng thí nghiệm quan trọng của môi trường vật liệu chức năng, đại học hóa học, sinh học và vật liệu kỹ thuật, Suzhou đại học khoa học và công nghệ, Suzhou 215009, Trung Quốc r t tôi c l e tôi n f o một b s t r một t c Bài viết lịch sử:Nhận được ngày 15 tháng 11 năm 2013Nhận được cải tiến thành 8 năm 2014Chấp nhận 14 tháng 3 năm 2014Có sẵn trực tuyến 21 tháng 3 năm 2014Từ khoá:Uống máy nước bùn Coagulant phục hồi phốt pho loại bỏ mưaHấp phụ Axit phục hồi coagulant uống máy nước bùn dư (DWSR) là một sản phẩm chất thải từ uống máy nước bùn (DWS) điều trị với axit coagulant phục hồi. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đánh giá DWSR như là một tiềm năng phốtpho (P) loại bỏ các vật liệu trong điều trị nước thải bằng tiến hành một loạt các lô và bán liên tục thử nghiệm. Hàng loạt các xét nghiệm được tiến hành để nghiên cứu những ảnh hưởng của pH, nồng độ ban đầu, và bùn liều P loại bỏ. Hàng loạt thử nghiệm kết quả cho thấy rằng P loại bỏ efficiency của DWSR đánh giá cao phụ thuộc vào độ pH. Calcinated DWSR (C-DWSR) thực hiện tốt hơn trong P loại bỏ hơn DWSR do độ pH cao của nó. Tại một giá trị pH ban đầu tối ưu của 5-6 và một liều lượng bùn của 10 g/L, P loại bỏ mức DWSR và DWS giảm từ 99% và 93% để 84% và 14%, tương ứng, và sự hấp thu specific P DWSR và DWS tăng từ 0,19 và 0.19 mg P/g để 33,60 và 5.72 mg P/g, tương ứng, khi nồng độ ban đầu được tăng từ 2 đến 400 mg/L. Liều hiệu quả tối thiểu bùn DWSR và DWS là cách 0.5 g/L và 10 g/L, tương ứng, khi tỷ giá loại bỏ P 90% được lấy tại một tập trung ban đầu 10 mg/L. kết quả từ bán liên tục thử nghiệm chỉ ra rằng P loại bỏ tỷ giá hơn 99% đã đạt được một cách nhanh chóng đối với nước thải tổng hợp và thực tế (hồ nước và nước thải trong nước). Các mức giá có thể được duy trì trong một thời gian nhất định trong một điều kiện hoạt động nhất định bao gồm bùn liều, nguồn cấp dữ liệu flow, và ban đầu tập trung. Kết quả phân tích hóa lý tài sản cho thấy rằng nội dung của nhôm (Al) và sắt (Fe) trong DWSR được giảm 50% và 70%, tương ứng, so với DWS. Hiđrôxít Al và Fe không hòa tan trong DWS chuyển thành hòa tan Al và Fe trong DWSR. Kim loại lọc quặng kết quả kiểm tra tiết lộ rằng ít Al hòa tan và Fe vẫn ở effluent khi DWSR được sử dụng để loại bỏ P. Chúng tôi suy luận rằng mưa hóa học có thể là hành động lớn nhất P loại bỏ bởi DWSR và hấp phụ đó chơi chỉ là một vai trò biên. © 2014 Elsevier B.V Tất cả các quyền. Giới thiệuCác số tiền rất lớn của việc uống máy nước bùn (DWS) là gener-ated bởi nhà máy xử lý nước hàng ngày ở Trung Quốc, như một trong hầu hết các quốc gia khác trên toàn thế giới. Quản lý của DWS đã trở thành một vấn đề môi trường ngày càng quan trọng [1-4]. DWS, một sản phẩm chất thải không thể tránh khỏi, chứa các hạt vật chất rắn, keo, và một số vật liệu hữu cơ tự nhiên đã phản ứng hoặc adsorbed bởi sắt (Fe) và/hoặc hydroxit nhôm (Al) từ nguyên các nguồn cung cấp nước. Đó-fore, nội dung Fe/Al tại DWS là tương đối cao. Đến thời điểm này, các∗ Corresponding tác giả tại: Suzhou đại học khoa học và công nghệ, Chem-istry sinh học và vật liệu kỹ thuật, 1 Kerui Road, Huqiu District, Suzhou, Jiangsu 215009, Trung Quốc. Điện thoại: + 86 13776046698; Fax: + 86 51268056132.Địa chỉ e-mail: [e-mail], [e-mail] (mất Wang). tái sử dụng của DWS như một vật liệu beneficial đã được nghiên cứu rộng rãi. Trong số các beneficial reuses, kim loại hydroxit phục hồi từ DWS đình chỉ đã trở thành một tập trung nghiên cứu nghiên cứu trước đây. Các khía cạnh kỹ thuật và kinh tế của Al phục hồi từ DWS đã được báo cáo sớm nhất là năm 1976 [5]. Cách phổ biến nhất của coagulant phục hồi đã là acidification và alkalization [6-8] và các điều kiện khác nhau chính là pH [9]. Các động thái của quá trình phục hồi coagu-lant bởi acidification đã là khám phá sâu sắc [10] và siêu âm với sự hỗ trợ acidification cho coagulant phục hồi đã được đề xuất mới [11]. Các phương pháp tiếp cận cho recov-khủng coagulant chẳng hạn như trao đổi ion và quá trình màng cũng đã là báo cáo [12,13]. Nhiều thập kỷ của nghiên cứu đã dành để ngăn chặn, khai thác các điều kiện tối ưu cho coagulants phục hồi từ DWS và để đánh giá những ảnh hưởng của phục hồi coagulants wastewa-ter điều trị. Tác động của pH Al speciation và nồng độ trong bùn đã tra [14,15]. Tái sử dụng Fe và Al http://DX.Doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.03.0810169-4332 / © 2014 Elsevier B.V Tất cả các quyền. Nước thô Al/Fe muối Đông máu và lắng Nước uống efficiency từ xử lý nước thải bởi DWSR và để hiểu anisms cơ khi P loại bỏ bởi DWSR. Bán liên tục thử nghiệm sau đó đã được thực hiện để khám phá thời gian hiệu quả hoạt động trong đó các Sắc Uống máy nước bùn (DWS) Axit cao hơn P loại bỏ efficiency được duy trì theo các điều kiện khác nhau chẳng hạn như bùn liều, nguồn cấp dữ liệu flow, và ban đầu tập trung. Phục hồi coagulant tách Coagulant phục hồi Vật liệu và phương pháp Xử lý nước thải Axit phục hồi coagulant DWS dư (DWSR) Chuẩn bị bùn và nước thải mẫu Hình 1. Biểu đồ dòng chảy của DWSR hệ và tái sử dụng.phục hồi từ DWS trong hóa học nâng cao điều trị chính [16,17] và ở ven biển landfill xử lý nước thải trang web đã là báo cáo [18]. Mặc dù các thông tin trên một số ứng dụng của phục hồi coagulants có sẵn trong các tài liệu mở, thông tin hạn chế tồn tại trong peer-xem lại tài liệu liên quan đến việc xử lý của axít uống dư lượng máy nước bùn (DWSR) được tạo ra từ các quá trình phục hồi coag-ulant. DWSR thường được đặc trưng bởi pH thấp và một số kim loại hòa tan (Al, Fe), dẫn đến một số vấn đề môi trường [19]. Vì vậy, DWSR không thể có dis-đặt ra bởi landfill trực tiếp mà không có bất kỳ điều trị. Hơn nữa, xu hướng hiện tại của nghiên cứu và phát triển trong bùn điều trị là để sử dụng đầy đủ của các thành phần hoạt động trong bùn nhằm phục hồi tài nguyên. Nó là công bằng để nói rằng tái sử dụng thích hợp của DWSR sẽ không chỉ làm giảm của nó influences tiêu cực về môi trường, nhưng cũng có thể lấy được chứa thêm từ các sản phẩm chất thải, mà lần lượt sẽ bù đắp một phần chi phí xử lý liên quan đến axit bùn, còn lại điều trị-ment. Do đó, tái sử dụng beneficial DWSR là xứng đáng điều tra scientific. Hình 1 Hiển thị biểu đồ flow DWSR hệ và tái sử dụng.Việc sử dụng đầy hứa hẹn của DWS là một sắc chi phí thấp để loại bỏ contami-nants như phốt pho [20,21], mercury [22], arsenat [23-25], fluoride [26], hydro sulfide [27], Bo [28], tỷ lệ perchlo [29], glyphosate [30] và selen [31] từ xử lý nước thải đã được rộng rãi điều tra và báo cáo thành công. Đặc biệt, việc sử dụng của DWS cho P loại bỏ từ nước thải là một trong các khu vực thường xuyên nhất nghiên cứu đặc biệt vì sự phong phú tương đối của Fe/Al, thành phần hoạt động tiềm ẩn, trong DWS cung cấp cho nó một bề mặt cao reac-hoạt động cùng và một affinity đáng kể cho P. Một số nghiên cứu cơ bản cho influence DWS trên độ hòa tan phốt pho và lọc quặng đã được thực hiện khoảng mười năm trước đây [32,33]. Sau đó, một loạt các nghiên cứu có liên quan về việc sử dụng của DWS phốt pho rửa được thực hiện, chẳng hạn như ảnh hưởng của lão hóa DWS [34], hấp phụ hiệu quả cho photphat khác nhau loài [35,36], cân bằng và động lực phân tích [37], có hiệu lực của axit hữu cơ [38], loại khác nhau của DWS [39], và các loại khác nhau của nước thải [40] về loại bỏ P.Nội dung của Fe/Al DWSR thấp hơn của DWS do phục hồi coagulants. Tuy nhiên, các thành phần Fe/Al DWS là ở dạng không hòa tan kim loại (Al/Fe) và hydroxit [41,42]. Các đặc tính của DWSR đã được tách biệt nó khỏi DWS, như một số nội dung Fe/Al trong DWSR là loài hòa tan do kỹ thuật acidifi-cation [43] và hòa tan Fe/Al tồn tại như là hình thức củaFe3 + /Al3+ tại pH thấp [44]. Hòa tan Fe3 + /Al3+ trong DWSR có thể dẫn đếntrong vấn đề môi trường, một vấn đề mà đòi hỏi thêm một-tion [45]. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng nội dung Fe/Al ở loài hòa tan có thể trực tiếp cung cấp một nguồn cung cấp để loại bỏ P bởi mưa [21]. Lấy cảm hứng từ bằng cách này, chúng tôi đề xuất tái sử dụng DWSR như một phốt pho mà loại bỏ các chất thải. Nó được đưa ra giả thuyết rằng DWSR sẽ là một phương tiện phù hợp để loại bỏ P dựa trên đặc điểm specific của nó. Vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu này là để xác minh tính khả thi của tái sử dụng DWSR để loại bỏ P từ xử lý nước thải. Một loạt các hàng loạt thử nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu những ảnh hưởng của pH, nồng độ P và liều lượng bùn P loại bỏ DWS mẫu dewatered được thu thập từ mới huyện Waterworks Suzhou, Trung Quốc. Nhà máy này sử dụng cả hai Fe và Al muối như coagulants để flocculate bị đình chỉ hạt và hệ keo trong nước uống điều trị. DWS được sản xuất theo việc bổ sung các coagulants. Trong phòng thí nghiệm, DWS đã được cho phép để air-dryở nhiệt độ phòng (28 ◦C) trong khoảng 3 tuần. DWS khô làmặt đất trong một máy xay và sau đó homogenized bởi sieving. Asố tiền nhất định của DWS hạt được calcined trong một lò muffle lúc500 ◦C cho 4 h. Calcinated DWS được chỉ định là C-DWS. Thiếu tá-Anh bay hơi hữu cơ, mà có thể gây ô nhiễm nước thải xử lý, có thể được gỡ bỏ từ bùn thông qua calcination và specific khu vực bề mặt bùn có thể