污泥活性炭在廢水處理中的應(yīng)用

柳 瑩，孫阿惠，李 琛

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

環(huán)保與三度利用

污泥活性炭在廢水處理中的應(yīng)用

柳 瑩，孫阿惠，李 琛

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

城市污水處理廠在處理污水的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，以污泥為原料制備污泥活性炭為污泥的處置問題提供了一種新型途徑。文章系統(tǒng)綜述了污泥活性炭在廢水處理中的原理及其在各種廢水中的應(yīng)用，并且認(rèn)為污泥活性炭為我國城市污水廠的可持續(xù)發(fā)展了提供一條新的途徑。

污泥活性炭；制備方法；廢水處理

污泥是污水處理廠處理過程中產(chǎn)生的一種含水率很高的絮狀泥粒廢棄物，含有大量的有機(jī)物，豐富的氮磷等營養(yǎng)物、重金屬、致病菌等有毒有害成分，而且性質(zhì)不穩(wěn)定，易腐化，如果處理不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。污泥活性炭以污泥作為原料制備活性炭，用于污水處理去除有害物質(zhì)，不僅成本低廉，節(jié)約了煤和木材等珍貴資源，而且用途廣泛，同時(shí)還解決了污泥的處理處置這一環(huán)境難題，并變廢為寶實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化、無害化、資源化。本文就污泥活性炭的制備方法及其在污水處理中的利用進(jìn)行了綜述，介紹了這一污泥的資源化利用的新途徑。

1 污泥活性炭的制備

污泥活性炭的常用制備方法有直接碳化法、物理活化法、化學(xué)活化法、物理化學(xué)活化法和微波輻射法。

1.1 直接碳化法

碳化是對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行熱解，使其中含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為固定碳。熱解碳化處理中主要是碳化溫度、時(shí)間和氣氛影響吸附性能。通常使用馬弗爐對(duì)經(jīng)過浸漬活化后的干污泥進(jìn)行高溫焙燒，使干污泥失去表面水、水化水和結(jié)構(gòu)骨架中的結(jié)合水以及空隙中的一些雜質(zhì)，減小水膜對(duì)污染物質(zhì)的吸附阻力使膨潤土的吸附性能發(fā)生變化。但焙燒溫度不能超過500℃，時(shí)間以2 h為宜［1］。此制備方法簡便快捷，但是制出的碳化產(chǎn)品因沒有經(jīng)過活化這一步，碘吸附值較低，品質(zhì)較差。

1.2 物理活化法

物理活化法通常采用氧化性氣體如水蒸汽、二氧化碳、氧氣等，使石墨微晶的碳原子部分氣化，使碳材料內(nèi)部形成新孔并擴(kuò)大原來的孔，從而形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。Rio［2］等采用水蒸汽活化法研究了活化溫度和時(shí)間對(duì)比表面積和產(chǎn)率的影響，得到最優(yōu)活化溫度為750～800℃和時(shí)間30～90 min。 Rio等［3］以城市污泥為原料，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，在活化前用3 mol·L-1的鹽酸進(jìn)行沖洗，在600℃條件下碳化1h，然后在900℃，以CO2為活化氣進(jìn)行活化30 min，活性炭比表面積可達(dá)410 m2·g-1，主要由中孔和微孔組成。物理活化對(duì)環(huán)境污染小，因其依靠氧化碳原子形成孔隙結(jié)構(gòu)，活化溫度較高且活性炭得率低。

1.3 化學(xué)活化法

化學(xué)活化法選用的活化藥劑主要有ZnCl2、H2SO4、H3PO4、KOH和K2S等?；瘜W(xué)藥品可以抑制含碳揮發(fā)物及焦油的形成，防止被焦油堵塞其熱解生成的細(xì)孔，提高活性炭的吸收率。不同活化劑及其用量可使化學(xué)活化法在制備不同孔徑分布及不同表面化學(xué)特性的活性炭方面變得更加自由。任愛玲等［4］用此法制備活性炭，碘吸附值為514～542 mg·g-1，比表面積為 193～256m2·g-1。 柯玉娟等［5］以城市污水廠剩余污泥為原料，采用ZnCl2作活化劑，熱解制備污泥活性炭。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備污泥活性炭的最佳條件為：熱解溫度550℃，ZnCl2溶液濃度為 3 mol·L-1，ZnCl2溶液體積與污泥質(zhì)量比（mL／g）為 25∶1，熱解時(shí)間為 25 min。 岑超平等［6］對(duì)采用ZnCl2化學(xué)活化法制備的污泥含碳吸附劑進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在合適的條件下制得的含碳吸附劑碘值在460 mg·g-1以上，產(chǎn)品收率＞60%，比表面積＞230 m2·g-1。 化學(xué)活化法活性炭得率較高，孔隙發(fā)達(dá)，吸附性能好。但此法對(duì)設(shè)備腐蝕性大，環(huán)境污染嚴(yán)重，熱解能量循環(huán)利用困難，而且活性炭中殘留化學(xué)藥品，在應(yīng)用方面受到限制。

1.4 物理化學(xué)活化法

物理化學(xué)活化法是物理活化法和化學(xué)活化法的結(jié)合?；罨皩?duì)原料進(jìn)行化學(xué)改性浸漬處理，可提高原料活性并在材料內(nèi)部形成傳輸通道，有利于氣體活化劑進(jìn)入孔隙內(nèi)刻蝕。物理化學(xué)活化法制得的活性炭既有高的比表面積又含有大量中孔，在活性炭材料表面獲得特殊官能團(tuán)。

1.5 微波輻射法

微波輻射法是用一定濃度的磷酸溶液浸泡經(jīng)過破碎篩分的干污泥，浸泡一定時(shí)間后，將酸化污泥放入微波爐中按一定的微波處理工藝進(jìn)行處理，處理后的活性炭樣品用熱水充分浸洗。

2 污泥活性炭處理廢水的原理

污泥活性炭表面呈現(xiàn)不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙，孔形狀似平行壁，平均孔徑為2.82～2.86nm。微孔孔容較大，利用孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)基團(tuán)對(duì)廢水中的有毒有害物質(zhì)進(jìn)行吸附。在吸附初期以毛細(xì)孔凝聚和多層吸附為主。影響吸附的主要因素有活化藥劑的種類、濃度、熱解時(shí)間、熱解溫度和活化溫度等。用氯化鋅、氯化銨等作為添加劑改性后的污泥活性炭表面粗糙度增大，孔隙結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)，更有利于吸附的進(jìn)行。

3 污泥活性炭在廢水處理中的應(yīng)用

污泥活性炭根據(jù)其孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積的不同，可以對(duì)不同廢水中的有害物質(zhì)進(jìn)行物理吸附或化學(xué)吸附，因此可以用于多種廢水的處理，如印染廢水、重金屬廢水、制藥廢水、焦化廢水等。

3.1 污泥活性炭處理印染廢水

印染廢水具有水量大、有機(jī)污染物含量高、堿性大、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)，屬難處理的工業(yè)廢水之一。廢水中含有染料、漿料、助劑、油劑、酸堿纖維雜質(zhì)、砂類物質(zhì)、無機(jī)鹽等。

目前工業(yè)上常用的染料廢水脫色方法有絮凝沉淀（氣?。?、電解、氧化、吸附、生物降解等［7］。而用污泥活性炭處理印染廢水是一種新型工藝。彭怡等［8］以污泥活性炭為吸附劑，甲基紫、結(jié)晶紫、孔雀石綠和亞甲基藍(lán)為吸附質(zhì)，考察了污泥活性炭的吸附性能。結(jié)果表明，染料溶液的酸堿性影響污泥活性炭的吸附效果，堿性條件有利于吸附，其主要原因是pH改變了污泥活性炭表面的荷電狀態(tài)及染料的存在形式，其吸附規(guī)律可以用Langmuir等溫方程和Freundlich等溫方程描述。范越陽等［9］研究了活性污泥對(duì)染料的吸附量與pH值的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)pH值降到4.7左右時(shí)，活性污泥對(duì)活性艷紅X-3B的吸附量迅速增大；降到3.0附近以后，雖然吸附量繼續(xù)隨pH值降低而增加，但變化已經(jīng)不大。pH值為3是一個(gè)合適的吸附點(diǎn)，并根據(jù)污泥對(duì)混合染料廢水的吸附情況推測吸附是一種電性吸附。

3.2 污泥活性炭處理重金屬廢水

環(huán)境污染方面所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷，還包括具有毒性的重金屬鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等污染物?；钚蕴繉?duì)重金屬離子的吸附機(jī)理目前被認(rèn)為主要是金屬離子在活性炭表面的離子交換吸附，同時(shí)還有重金屬離子與活性炭表面的含氧官能團(tuán)之間的化學(xué)吸附以及重金屬離子在活性炭表面沉積而發(fā)生的物理吸附［10］。

以城市污水廠污泥為原料，氯化鋅為活化劑，氯化鐵或氯化銨為添加劑制得的污泥活性炭可以吸附廢水中的 Gr、Hg、Zn、Pb、Ni、Cu 等多種金屬離子。夏暢斌等［11］在以城市污泥改性物作吸附劑凈化含Cr廢水的試驗(yàn)中，得到吸附Cr（Ⅵ）廢水的最佳條件為：吸附時(shí)間20 min，pH為中性，Cr（Ⅵ） 起始濃度不超過 50 mg·L-1，溫度為 30℃。劉春華等［12］在污泥活性炭對(duì)Hg的吸附研究中得出溶液的pH、吸附劑的用量、溶液的初始離子濃度和吸附時(shí)間是決定吸附去除效率的影響因素。吸附過程符合Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程式。利用這種吸附劑可以有效地去除工業(yè)廢水中的Hg（Ⅱ）離子。張德見等人［13］利用城市污水廠污泥制取污泥含碳吸附劑，對(duì)溶液中Pb2＋進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，研究一定條件下的等溫吸附特性，并利用線性擬合和非線性擬合2種方法對(duì)等溫吸附方程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，污泥含碳吸附劑可以有效地去除溶液中的Pb2＋，得到非線性擬合求得的模型參數(shù)比較可靠，同時(shí)得到Langmuir模型比Freundlich方程更適合于描述Pb2＋在污泥含碳吸附劑表面上的吸附行為。翟云波等［14］利用城市污水廠的污泥化學(xué)活化法熱解產(chǎn)生的吸附劑，在間歇反應(yīng)器內(nèi)對(duì)水溶液中Cd2＋、Ni2＋離子進(jìn)行吸附性能的研究。研究表明使用該污泥活性炭去除水相中的Cd2＋和Ni2＋是適宜的，在相同的條件下，其對(duì)Cd2＋的吸附能力優(yōu)于 Ni2＋。 最佳吸附條件為：pH 5.5～6.0，吸附平衡時(shí)間 60 min，Cd2＋和 Ni2＋的初始濃度分別為40mg·L-1和 30mg·L-1， 活性炭投加量不少于 10g·L-1和 20g·L-1。 夏暢斌等［15］在污泥制備活性炭對(duì) Pb和Ni的吸附研究中，表明Pb（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）最佳吸附去除條件為：pH 6.0～6.5，吸附劑的用量大于12 g·L-1，溶液的起始濃度不大于 20 mg·L-1，吸附時(shí)間為80 min；吸附溫度對(duì)去除率的影響較小。

在國外，Rozada F 等［16］研究 ZnCl2活化城市污水廠污泥制備吸附劑吸附水中重金屬的能力，吸附能力順序?yàn)?Hg （Ⅱ）＞Pb （Ⅱ）＞Cu （Ⅱ）＞Cr（Ⅲ）， 其吸附量分別為 175.4、64.1、30.7 和15.4 mg·g-1。Gasco Gabrid 等［17］研究了污泥活性炭從含鹽廢水中去除 Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋的能力，4 種模擬溶液是 456.54 mmol·L-1NaCl、9.72 mmol·L-1KCl，19.96 mmol·L-1CaCl2和 111.09 mmol·L-1MgCl2，化學(xué)活化法制備的活性炭顯示良好的吸附能力，其對(duì)金屬的去除順序?yàn)椋篘a＋＞K＋＞Mg2＋＞Ca2＋。

而污泥活性炭在金屬廢水中的廣泛應(yīng)用還存在問題：（1）目前對(duì)于活性炭吸附的研究還大部分集中在單一金屬離子的吸附層面，應(yīng)當(dāng)致力于研究多種重金屬離子共吸附的污泥活性炭。（2）污泥制活性炭僅對(duì)一些重金屬有較好的處理效果，吸附應(yīng)用范圍較窄，應(yīng)加強(qiáng)其大范圍使用的探索。

3.3 污泥活性炭處理焦化廢水

焦化廢水是一種典型的含有高污染、難降解有機(jī)物的高濃度工業(yè)廢水。國內(nèi)主要采用A／O法，A2／O法，SBR法等生物脫氮工藝處理焦化廢水。污泥活性炭處理焦化廢水具有較高的去除效率和經(jīng)濟(jì)效益。

陶冬民等［18］以污水處理廠脫水污泥為原料，在活化溫度為550℃，活化劑濃度為5 mol·L-1左右，固液比為1∶2，活化時(shí)間為40 min條件下，用化學(xué)活化法制備污泥活性炭。在對(duì)污泥活性炭處理焦化廢水研究中得出，隨著污泥活性炭投加量的增加，脫色效果越好，脫色效果隨著溫度升高而下降，選擇吸附時(shí)間為360 min，實(shí)際處理焦化廢水無需調(diào)節(jié)pH?；钚晕勰嗵繉?duì)COD的吸附量可達(dá) 92.63mg·g-1，出水 COD 濃度為 57.12mg·L-1，達(dá)到國家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。劉寶河等［19］在污泥活性炭對(duì)焦化廢水中COD的深度處理研究中表明，污泥活性炭可能對(duì)分子直徑偏大的污染物吸附性能好?；钚蕴繉?duì)COD的吸附過程中，膜擴(kuò)散為主控步驟，用ZnCl2改性的污泥活性炭對(duì)COD的吸附量在70 min時(shí)達(dá)到最大值。

3.4 污泥活性炭處理制藥廢水

制藥廢水中的污染物來自加工時(shí)所使用的化學(xué)藥劑，具有難降解，毒性大等特點(diǎn)。目前一般用生物處理的方法處理制藥廢水，用活性炭對(duì)制藥廢水進(jìn)行處理是近年來研究的一個(gè)新方向。

呂澤瑜等［20］以城市污水處理廠二沉池污泥和脫水污泥為原料，采用物理化學(xué)結(jié)合法制得污泥活性炭，并且研究了用ZnCl2改性后的污泥活性炭對(duì)加替沙星的吸附，改性后污泥活性炭表面粗糙度增大，孔結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，可以有效吸附加替沙星，吸附等溫線可用Freundlich經(jīng)驗(yàn)公式擬合。吸附時(shí)間在 5～10 h 內(nèi)，吸附量為 6～7 mg·g-1。由此用污泥活性炭作為一種凈水劑處理抗生素廢水或者難降解的其他廢水是可行的，它同時(shí)也為污泥的再利用提供了一條很好的途徑。

然而該實(shí)驗(yàn)只對(duì)污泥活性炭吸附加替沙星的效果、機(jī)理做了分析，但與實(shí)際仍有差距，例如吸附劑的重金屬含量是否達(dá)標(biāo)，會(huì)不會(huì)引起二次污染；制備成本的經(jīng)濟(jì)性；制備過程中所帶來的廢氣廢水問題等等，還需要進(jìn)一步研究。

4 展望

污泥活性炭的吸附性能可以達(dá)到普通商品活性劑的80%左右，而生產(chǎn)成本卻極大低于傳統(tǒng)活性炭。經(jīng)活性炭處理過的廢水出水清，有機(jī)物含量低，可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。如果能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并將微生物固化于活性炭用于延長活性炭的飽和時(shí)間以降低成本，將會(huì)為我國城市污水廠的可持續(xù)發(fā)展提供一條新的途徑。

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Application of Sludge Activated Carbon in Wastewater Treatment

LIU Ying， SUN A-hui， LI Chen
（School of Chemistry and Environmental Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China）

Large numbers of municipal sludge were produced during the disposal of city water.With municipal sludge on the preparation of activated carbon was a new method to disposal it.The principle of activated carbon in wastewater treatment and its application in variou wastewater were reviewed.And it was think the activated carbon would provide a new way for the sustainable development of urban wastewater treatment plant.

sludge activated carbon； preparation；wastewater treatment

X 703

A

1671-9905（2011）04-0043-04

柳瑩（1989-），女，在讀本科生

李?。?980-），男，河南周口人，碩士，講師，主要從事環(huán)境工程及污染防治方面的研究，Email：leechen＿317＠126.com電話：15991868805通信地址：陜西省漢中市陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

2011-11-04