類中空顆粒污泥炭填料的制備及作為生物填料的性能表征

孔令軍, 譚俊杰, 陳迪云, b*

(廣州大學 a.環(huán)境科學與工程學院， b.廣東省放射性核素污染控制與資源化重點實驗室, c.廣東省環(huán)境污染控制與修復技術重點實驗室， 廣東 廣州　510006)

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類中空顆粒污泥炭填料的制備及作為生物填料的性能表征

孔令軍a, b, c, 譚俊杰a, 陳迪云a, b*

(廣州大學 a.環(huán)境科學與工程學院， b.廣東省放射性核素污染控制與資源化重點實驗室, c.廣東省環(huán)境污染控制與修復技術重點實驗室， 廣東 廣州510006)

城市污泥制備污泥炭，實現(xiàn)污泥的無害化和資源化，受到廣泛的關注.文章以棉纖維為內核，涂覆混有氯化鋅的污泥漿，通過熱解處理，制備污泥炭為外殼，棉纖維為內核的類中空顆粒污泥炭.通過氮氣吸附-脫附曲線與SEM對其孔徑結構進行分析.重點比較類中空污泥碳與商業(yè)活性炭作為填料,在不同條件下對生活污水COD、氨氮和總氮去除性能的差異.類中空污泥碳作為填料的去除效果顯然高于市售活性炭填料.因此，利用污泥制備類中空污泥炭，并將其作為填料應用于生活污水的深度處理，具有廣闊的應用前景.

類中空污泥炭； 生物填料； 污泥資源化； COD； 氨氮； 總氮

剩余污泥是污水處理的產物，早在1971年KEMMER首次提出化學活化處理干污泥制備生物炭吸附劑[1].同年BEECKMANS等將污泥碳化制得含碳量為14%的焦炭，并將其應用于廢水中COD的去除，發(fā)現(xiàn)其吸附能力介于粉煤灰和椰殼活性碳之間[2].自此以后，利用污泥制備多孔炭吸附材料成為近些年來污泥資源化利用的熱點.前期研究利用污泥成功制備孔隙發(fā)達的生物炭，發(fā)現(xiàn)所得污泥炭材料對環(huán)境中有機污染物具有優(yōu)異的吸附性能[3-4].但所得的吸附材料一般為粉末狀，不利于實際使用過程的分離回收.為了解決分離這一問題，以棉球為內核，制備一種類中空顆粒污泥炭，探索其對廢水中亞甲基藍的吸附行為.結果表明，所得的類中空顆粒污泥炭具有壓降低，比表面積高，對亞甲基藍吸附性能好的特點[5].

1　實驗材料與方法

1.1實驗試劑

本實驗所用的污泥為大坦沙污水處理廠的脫水污泥.所用小棉球購買于九州誠信醫(yī)療器械批發(fā)公司(中國).實驗所用的氯化鋅等試劑購買于廣州大茂試劑有限公司.實驗污水取自大坦沙污水處理廠的二沉池出水，水質指標見表1.

表1　實驗用水水質

1.2填料的制備

利用脫水后的污泥與5 mol·L-1氯化鋅溶液按照鋅泥質量比3∶1混合，攪拌均勻，得到泥漿.將購買的3～4 mm的棉花球放入配制好的泥漿中均勻翻滾1周，在棉花球表面涂裹上1層厚度約為1 mm的泥漿，再將濕泥球放入105 ℃干燥箱內干燥12 h.干燥后將泥球放入石英方舟，置于通有流量為40 L·h-1氮氣的可編程管式電阻爐內，以20 ℃·min-1的速率升溫到500 ℃碳化2 h，待爐內溫度降至100 ℃左右后，將其取出，放入干燥器中冷卻至室溫后，放入250 mL的錐形瓶中，用5%鹽酸溶液清洗12 h去除無機化合物，再用去離子水反復沖洗至清洗液pH值達到7.所得產品直徑為2～3 mm的球狀顆粒.

1.3材料表征與分析

產品的外觀形貌采用JSM-6330F冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)觀察.樣品的孔結構分布采用Auto-sorb-6吸附儀(美國Quantachrome公司)吸附氮氣進行分析，得到氮氣吸附-脫附等溫線.

1.4類中空污泥炭填料BAF的構建與運行

圖1　生物填料反應器實驗裝置示意圖

2　結果與討論

2.1類中空顆粒污泥炭的性質

在不同的放大倍數(shù)條件下對類中空顆粒污泥炭進行SEM分析(圖2)，如圖2(a)所示，類中空污泥炭表面粗糙，且分布豐富的孔結構，其孔徑在50 μm左右.豐富的微孔結構有利于生物膜附著生長，且有利于提高傳質與有效的接觸面積.圖2(b)可見，類中空顆粒污泥炭的內部是由一層層的棉纖維組成，起到骨架作用，支撐著外層的污泥炭殼維持一定的形狀與機械強度.圖2(c)和(d)可見，類中空顆粒污泥炭表面的污泥炭外殼不僅分布著豐富的微米級的孔結構，而且還分布著豐富的納米級別的孔隙結構.SEM分析結果直觀表明，所制備的填料是內部棉花碳纖維為內核，表面包裹不同級別豐富孔結構的污泥炭殼的類中空顆粒污泥炭.

圖2不同放大倍數(shù)條件下類中空顆粒污泥炭的SEM分析Fig.2The SEM analysis of the hollow-like granular sludge carbon under varied magnification

(a)類中空污泥炭顆粒的外觀；(b)類中空污泥炭顆粒的橫截面照片；(c)污泥炭外殼局部放大800倍圖；(d)污泥炭外殼局部放大10 000倍圖

為了對類中空顆粒污泥炭的比表面積和微觀孔結構做進一步的深入剖析，通過氮氣吸附-脫附實驗對類中空顆粒污泥炭進行分析.所得吸附-脫附等溫線見圖3.顯然，此曲線符合I型吸附曲線[1]，即主要通過窄孔進行吸附.其比表面積主要受內比表面積控制，吸附容量由孔體積決定.通過BET方程計算得出，類中空顆粒污泥炭的比表面積高達1 041 m2·g-1，微孔內比表面積高達854.5 m2·g-1，約為其外比表面積的4.6倍.

圖4(a)與(b)分別給出DFT與BJH 方程計算所得的孔結構分布.圖4可見，類中空污泥炭主要分布有0.5～2.0 nm的微孔和3～20 nm的介孔.也就是說，類中空污泥炭表面不僅具有如圖2所示的微米級別的大孔，而且具備納米級別的微孔與介孔結構，從而擁有很高的比表面積，其比表面積顯

圖3類中空顆粒污泥碳的氮氣吸附-脫附曲線

Fig.3Nitrogen ad-desorption isotherm curve of hollow-like granular sludge carbon

著大于實心顆粒的污泥炭和購買的商業(yè)活性炭[8]，為微生物的生長與接觸傳質提供更便利的條件.

由于所得的顆粒污泥炭具有發(fā)達的孔隙與類中空結構，因此，所得的類中空顆粒污泥炭的容重低至0.100 8 g·cm-3，而且其在不同流量下的壓降也顯著低于實心的顆粒污泥炭和購買的商業(yè)活性碳[8].意味著類中空顆粒污泥炭為填料的BAF在實際應用過程中具有較低的阻力，從而阻力損失最小.

2.2類中空污泥炭與活性碳填料處理污水性能對比

(a)DFT孔徑分布曲線　　　　　　　　　　　(b)BJH脫附孔徑分布曲線

圖5　類中空污泥炭與活性碳填料對污水平均處理效果的對比

Fig.5A comparison between the hollow-like granular sludge carbon and the activated carbon for the removal efficiency of the sewage

3　結　論

(1)通過熱解的方法可制備棉花碳纖維為內核，污泥炭為外殼的類中空顆粒污泥炭.所得類中空顆粒污泥炭具有高比表面積，表面粗糙且孔隙率高、空隙率大、壓降小的特性，可為微生物提供更多的附著空間，使反應器保持較多的微生物量，提高有機負荷.

[1]KEMMER F N, ROBERTSON R S, MATTIX R D. Sewage treatment process. nalco chemical company[P]. US Patent Office, 1971, Patent No. 3,619,420.

[2]BEECKMANS J M, NG P C. Pyrolyzed sewage sludge-its production and possible utility[J]. Environ Sci Tech, 1971, 5: 69-71.

[3]KONG L J, XIONG Y, TIAN S H, et al. Preparation and characterization of a hierarchical porous char from sewage sludge with superior adsorption capacity for toluene by a new two-step pore-fabricating process[J]. Bior Tech, 2013, 146: 457-462.

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[6]國家環(huán)境保護總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京：中國環(huán)境科學出版社，2009.

State Environmental Protection Administration of China. Water and wastewater monitoring and analysis method[M].4th ed. Beijing: China Environmental Press，2009.

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[9]ZHOU A J. Study on characteristic and effect of charcoal stuffing in biological aerated filter[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2008.

[10]LUO S J, ZHOU P G, YU F F. Organic removal of wastewater by bamboo biological aerated filter[J].Tech Water Treat, 2009, 35: 86-89.

【責任編輯： 陳鋼】

Preparation and characterization of hollow-like granular sludge char as BAF filler

KONG Ling-juna, b, c, TAN Jun-jiea, CHEN Di-yuna, b

(a. School of Environmental Science and Engineering;b. Guangdong Provincial Key Laboratory of Radioactive Contamination Control and Resources;c. Guangdong Provincial Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Remediation Technology,Guangzhou University, Guangzhou 510006,China)

2016-05-28;

2016-06-06

國家自然科學基金資助項目(51508116); 廣東省自然科學基金資助項目(2016A030310265); 廣州市科技計劃資助項目(01607010311); 廣東省環(huán)境污染控制與修復技術重點實驗室開放基金資助項目(2016K0001)

孔令軍(1986-), 男, 講師, 博士. E-mail: kongljun@gzhu.edu.cn

. E-mail: cdy@gzhu.edu.cn

1671- 4229(2016)04-0079-04

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