污水廠污泥制備水處理活性炭的工藝參數(shù)研究

胡永祥

（山西天馳達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，山西 太原 030000）

環(huán)境污染是改革開放初期經(jīng)濟(jì)發(fā)展忽略對環(huán)境所造成的主要問題。工業(yè)污水的排放是環(huán)境污染的主要特征之一，為避免污水對地下水的進(jìn)一步污染以及對地面環(huán)境的損害，需加強(qiáng)對污水的處理。污泥是污水處理的副產(chǎn)品之一，若對其處理不當(dāng)極易造成對環(huán)境的污染，傳統(tǒng)對污泥的處理主要采用堆肥、填埋以及焚燒的方法，導(dǎo)致污泥不能從根本被處理。為此，專家學(xué)者們提出以污泥為原料制備活性炭，活性炭具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益[1]。本文重點(diǎn)研究基于污水、污泥制備活性炭，并對所制得活性炭的吸附性能開展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

本文基于污水廠污泥制備活性炭的裝置如圖1所示。

圖1 污泥制備活性炭的試驗(yàn)裝置

如圖1 所示，污泥制備活性炭的核心裝置為耐高溫管，所有的制備工序均是在氮?dú)鈿怏w保護(hù)的基礎(chǔ)上完成的，所開展的實(shí)驗(yàn)類型為活化實(shí)驗(yàn)。其中，氮?dú)庥蓤D1 中的“1”提供，并根據(jù)“4”氣體流量監(jiān)測計(jì)對氮?dú)獾牧髁窟M(jìn)行調(diào)節(jié)控制；“3”溫度控制裝置的關(guān)鍵在于對活化實(shí)驗(yàn)的溫度進(jìn)行控制，其可根據(jù)實(shí)際需求對活化溫度、活化時(shí)間以及升溫時(shí)間進(jìn)行合理控制。

在實(shí)際制備過程中，為保證試驗(yàn)方案的唯一性和專一性，需根據(jù)污泥的實(shí)際情況對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，主要是對污泥中水含量、有機(jī)物含量的測定。此外，還需采用硝酸-高氯酸法對污泥進(jìn)行消解，以促進(jìn)污泥制備活性炭的活化效率和保證最終活性炭的質(zhì)量[2]。根據(jù)污泥制備活性炭的工藝流程，在活化實(shí)驗(yàn)中需結(jié)合實(shí)際需求添加入一定量的鹽酸、硝酸、硫酸、碘化鉀、氫氧化鈉、重絡(luò)酸鉀等化學(xué)試劑，其中涉及到的活化反應(yīng)設(shè)備及儀器如表1 所示。

表1 污泥制備活性炭試驗(yàn)設(shè)備及儀器型號

2 污泥制備活性炭試驗(yàn)部分

在基于污泥制備活性炭之前，需對污泥的含水率、有機(jī)物以及重金屬含量等進(jìn)行測定。本項(xiàng)目所采用污泥為我市污水廠污泥脫水車間的產(chǎn)物，經(jīng)現(xiàn)場測量可知污泥的含水率約為89.02%，污泥中的有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75.29%；污泥中重金屬含量均低于國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，符合實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用要求。

2.1 活性炭制備原理研究

基于污泥制備活性炭的方法包括有物理法和化學(xué)法，其中，物理法是將碳化的污泥讓其與水蒸氣發(fā)生作用產(chǎn)生活化反應(yīng)的過程，該辦法所制備的活性炭一般為孔隙活性炭；化學(xué)法將污泥與化學(xué)試劑相混合反應(yīng)后，在高溫下發(fā)生炭化和活化反應(yīng)，最終制得活性炭。本文采用化學(xué)法基于污泥制備活性炭。

對于化學(xué)法制備活性炭而言，其中的炭化和活化兩個(gè)過程直接決定活性炭的性能。其中，炭化是將污泥在550℃高溫條件下進(jìn)行蒸餾操作；活化是將炭化處理后的原料通過重組形成活性炭的過程。對于活化工序而言，燒失率為衡量該工序的關(guān)鍵指標(biāo)。從理論上講，當(dāng)燒失率小于50%時(shí)所得的活性炭以微孔為主；當(dāng)燒失率大于75%時(shí)所得的活性炭以大孔為主[3]。

在傳統(tǒng)制備活性炭工序的指導(dǎo)下，以氯化鋅為活化劑制備活性炭。在制備初期首先保證污泥的含水率為10%，將污泥粉碎一定程度后按照合理的固態(tài)和液態(tài)比例使其與氯化鋅活化劑充分混合，而后在管式電阻爐的作用下開始活化反應(yīng)，最終生成活性炭。影響最終活性炭質(zhì)量和效率的主要因素包括活化劑的濃度、固態(tài)和液態(tài)的比例（質(zhì)量比）、活化反應(yīng)的溫度以及活化反應(yīng)的時(shí)間。為得出最佳的制備工藝，對上述4 項(xiàng)參數(shù)不同組合下所得活性炭的吸附作用進(jìn)行對比，并從中優(yōu)選出活性炭吸附性能最佳的工藝參數(shù)[4]。

2.2 活性炭制備工藝參數(shù)

本文采用正交試驗(yàn)的方式對不同組合下的活性炭的吸附能力進(jìn)行測定。結(jié)合以往活性炭制備工藝的相關(guān)參數(shù)，上述4 項(xiàng)參數(shù)分別設(shè)定的初始值如下：

1）氯化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、45%、60%；

2）固態(tài)與液態(tài)的質(zhì)量比分別為1∶1、1∶2、1∶3；

3）活化反應(yīng)的溫度控制分別為550、600、650℃；

4）活化反應(yīng)的時(shí)間控制分別為10、20、30 min。

首先，對上述4 種參數(shù)的其中一種參數(shù)對活性炭質(zhì)量的影響進(jìn)行分析，經(jīng)試驗(yàn)可得試驗(yàn)曲線如圖2所示。

通過對比圖2 結(jié)果可知，就從單個(gè)因素考慮，每項(xiàng)因素的最佳值如下：活化時(shí)間為20min、活化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，固液比（質(zhì)量比）為1∶1，活化溫度為650℃。

圖2 單個(gè)因素對活性炭吸附性能的影響

3 結(jié)語

污水是人們生產(chǎn)和生活中不可避免的污染物，對其處理不當(dāng)不僅會造成地下水污染的擴(kuò)散，而且還會加劇地面的污染。污泥作為污水處理后的副產(chǎn)物之一，需本著三無原則對其從根本上解除。為解決傳統(tǒng)污泥處理方式不徹底的問題，提出將其制備成活性炭既可提升對污泥的處理效果，而且還能夠增加社會效益[5]。本文重點(diǎn)對污泥制備活性炭的工藝參數(shù)進(jìn)行確定，并總結(jié)如下：

1）本文采用污泥的含水率約為89.02%，污泥中的有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為75.29%；污泥中重金屬含量均低于國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，符合實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用要求。

2）經(jīng)對影響污泥吸附性能的4 項(xiàng)因素所得活性炭吸附能力進(jìn)行對比可知，基于污泥制備活性炭的最佳工藝參數(shù)如下：活化時(shí)間為20 min、活化劑濃度為30%，固液質(zhì)量比例為1∶1，活化溫度為650℃。