污水廠污泥制備水處理活性炭的工藝參數(shù)研究

胡 濤

(太原市排水管理處,山西 太原 030006)

引 言

近年來，隨著在城市生產(chǎn)和生活的人數(shù)越來越多，每天所產(chǎn)生城市污水的量也越來越多，對應(yīng)的污水處理廠的數(shù)量以及污水廠的處理能力也在不斷提升。城市排放污水量的增加，所產(chǎn)生的污泥量也在不斷增加，污泥中含有豐富的氮、磷等富營養(yǎng)有機(jī)物、重金屬以及各種可致病的微生物。因此，若對城市污水中的污泥處理不當(dāng)會污染環(huán)境。傳統(tǒng)污泥的處理方式主要有土地填埋、焚燒、海洋排放等，上述方法在當(dāng)前環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格的時代已不適用[1]。鑒于污泥中富含有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)，可對污泥進(jìn)行資源化的處理。本文著重研究污泥制備活性炭的工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

1 污泥處理技術(shù)現(xiàn)狀分析

污泥是生活污水或者工業(yè)廢水中沉淀物、顆粒物以及漂浮物的總稱。污水中所含污泥量的不同與其對應(yīng)的所采取的污泥處理工藝也不同。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平及城市工業(yè)化的發(fā)展，污水廠數(shù)量及處理能力的不斷提升，所產(chǎn)生污泥的量也在不斷增長。污泥中富含微生物、纖維、動植物殘體等。若對污泥處理不當(dāng)會對環(huán)境造成二次污染[2]。

污泥處理的主要目的是將污泥的性質(zhì)更加穩(wěn)定、避免其對環(huán)境造成污染以及對污染的再利用。針對城市污水中污泥的典型處理流程，如圖1所示。

圖1 典型污泥處理流程

如圖1所示，對城市污水中污泥的典型處理流程經(jīng)歷了儲存、濃縮、穩(wěn)定、條路、脫水、干化以及最終處置等。

針對城市污水中傳統(tǒng)的處置方法包括有：填埋、焚燒、海洋投放以及土地利用等。上述處置方法未將污泥中的有害物質(zhì)、重金屬以及可致病的微生物進(jìn)行處理，存在對污泥處置場所周邊環(huán)境二次污染的隱患。因此，傳統(tǒng)針對污泥的處置方法與當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)相背離。

鑒于污泥中含有豐富的有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)，可通過對污泥資源化的處理方式在解決污泥污染環(huán)境的同時，還回收了污泥中的能源。目前，針對污泥資源化可將污泥制備成所需的油、建材、燃料、吸附材料以及堆肥等[3]。

2 基于污泥制備活性炭

在綜合分析當(dāng)前已應(yīng)用于污泥制備活性炭的方法，由于微波輻照加熱具有加熱速度快、操作方便以及效率高的特點(diǎn)。本文擬采用微波輻照加熱的方法制備活性炭，為進(jìn)一步提升活性炭的制備效率在反應(yīng)中加入適量的ZnCl2。基于微波輻照加熱法制備活性炭的工藝流程，如第196頁圖2所示。

如圖2所示，基于微波輻照加熱法制備活性炭時需將污水中污泥進(jìn)行脫水處理；而后加入適量的ZnCl2將污泥進(jìn)行活化處理；將活化處理后的污泥進(jìn)行干燥(烘箱設(shè)置溫度為105 ℃，烘干時間為24 h)和破碎處理，在對其進(jìn)行微波輻照加熱處理(在提前注氮3 min完成過后，保持注氮的流量為0.1 L/min～0.3 L/min)后進(jìn)一步采用鹽酸浸泡(浸泡時間為24 h)、蒸餾水清洗(蒸餾水溫度為70 ℃)等工序。為確定制備活性炭的最佳工藝參數(shù)，將不同工藝參數(shù)下所得活性炭研磨處理后對其性能進(jìn)行分析[4]。

圖2 微波輻照加熱法制備活性炭

基于微波法制備活性炭的工藝裝置，如圖3所示。

圖3 微波法制備活性炭工藝裝置

3 污泥制備活性炭工藝參數(shù)研究

通過對比不同參數(shù)所得活性炭的吸附能力最終確定污泥制備活性炭的工藝參數(shù)，主要研究的參數(shù)包括有活化劑、微波輻照時間、微波輻照時間以及污泥與活化劑的比例。本試驗采用“控制變量”的研究方法，即每次僅對一個工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

3.1 活化劑的確定

結(jié)合目前工業(yè)生產(chǎn)中所使用活化劑的類型，本試驗將對比氯化鋅、氫氧化鉀、磷酸以及硫酸四種活化劑對所制得活性炭的吸附能力進(jìn)行對比分析。此外，活化劑與污泥的比例為1∶1；微波輻照的功率為500 W；微波輻照的時間為280 s。

經(jīng)對不同活化劑下所得活性炭的吸附能力進(jìn)行對比可知，基于氯化鋅制備所得活性炭的吸附能力為416.48 mg/g；基于氫氧化鉀制備所得活性炭的吸附能力為253.36 mg/g；基于磷酸制備所得活性炭的吸附能力為312.75 mg/g；基于硫酸制備所得活性炭的吸附能力為380.63 mg/g。

因此，在微波輻照時間、時間以及活化劑與污泥比例一定的前提下，基于氯化鋅制備所得活性炭的吸附能力最佳。

3.2 微波輻照時間的確定

本組試驗是在污泥與活化劑比例為1∶1，微波輻照時間為300 s，活化劑為氯化鋅的基礎(chǔ)條件下完成的，分析在微波輻照功率為400 W、450 W、500 W、550 W以及600 W的條件下制備所得活性炭的吸附能力。

經(jīng)試驗可得：當(dāng)微波輻照功率為400 W時制備所得活性炭的吸附能力為365.44 mg/g；當(dāng)微波輻照功率為450 W時制備所得活性炭的吸附能力為431.81 mg/g；當(dāng)微波輻照功率為500 W時制備所得活性炭的吸附能力為487.67 mg/g；當(dāng)微波輻照功率為550 W時制備所得活性炭的吸附能力為454.47 mg/g；當(dāng)微波輻照功率為600 W時制備所得活性炭的吸附能力為436.14 mg/g。

因此，在污泥與活化劑比例、微波輻照時間以及活化劑一定的條件下，當(dāng)微波輻照功率為500 W時制備所得活性炭的吸附能力最強(qiáng)。

3.3 微波輻照時間的確定

本組試驗是在污泥與活化劑比例為1:1，微波輻照功率為500 W，活化劑為氯化鋅的基礎(chǔ)條件下完成的，分析在微波輻照時間為240 s、260 s、280 s、300 s以及320 s的條件下制備所得活性炭的吸附能力。

經(jīng)試驗可得：當(dāng)微波輻照時間為240 s時制備所得活性炭的吸附能力為369.67 mg/g；當(dāng)微波輻照時間為260 s時制備所得活性炭的吸附能力為398.53 mg/g；當(dāng)微波輻照時間為280 s時制備所得活性炭的吸附能力為439.42 mg/g；當(dāng)微波輻照時間為300 s時制備所得活性炭的吸附能力為487.67 mg/g；當(dāng)微波輻照時間為320s時制備所得活性炭的吸附能力為449.26 mg/g。

因此，在污泥與活化劑比例、微波輻照功率了以及活化劑一定的條件下，當(dāng)微波輻照時間為300 s時制備所得活性炭的吸附能力最強(qiáng)。

3.4 污泥與活化劑的比例

本組試驗是在輻照時間為300 s，微波輻照功率為500 W，活化劑為氯化鋅的基礎(chǔ)條件下完成的，分析在污泥與活化劑的比例為5∶3、5∶4、5∶5、5∶6、5∶7的條件下制備所得活性炭的吸附能力。

經(jīng)試驗可得：當(dāng)污泥與活化劑比例為5:3時制備所得活性炭的吸附能力為408.76 mg/g；當(dāng)污泥與活化劑比例為5∶4時制備所得活性炭的吸附能力為4 mg/g；當(dāng)污泥與活化劑比例為5∶5時制備所得活性炭的吸附能力為487.67 mg/g；當(dāng)污泥與活化劑比例為5∶6時制備所得活性炭的吸附能力為434.84 mg/g；當(dāng)污泥與活化劑比例為5∶7時制備所得活性炭的吸附能力為396.91 mg/g。

因此，在微波輻照時間、微波輻照功率了以及活化劑一定的條件下，當(dāng)污泥與活化劑比例為5∶5時制備所得活性炭的吸附能力最強(qiáng)。

4 結(jié)結(jié)

污泥作為城市污水處理后的產(chǎn)物，其中含有大量的有害物質(zhì)、重金屬以及可致病的微生物，若處置不當(dāng)會造成對環(huán)境的二次污染。由于傳統(tǒng)污泥處置手段與當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)不符，因此將污泥資源化為其當(dāng)前的主要處理方式[5]。將污泥制備成活性炭，并經(jīng)試驗研究可知，當(dāng)采用微波輻照制備法時：活化劑為氯化鋅，微波輻照功率為500 W，微波輻照時間為300 s、活化劑與污泥的比例為5:5時所制備活性炭的吸附能力最強(qiáng)。