明礬污泥去除水環(huán)境中污染物的研究進(jìn)展

景彩虹

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

多年來，鋁鹽一直被用作混凝劑使用，混凝和絮凝是世界各地水廠用于水凈化的基本預(yù)處理方法，而明礬污泥是凈水廠使用鋁鹽在混凝和絮凝過程產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，也是全球水工業(yè)產(chǎn)生的最廣泛的副產(chǎn)品。但是，讓人驚訝的是全球范圍內(nèi)的明礬污泥生產(chǎn)和處置數(shù)據(jù)的信息很少，即使是最近的文獻(xiàn)中，污泥生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、成本和其他相關(guān)信息也普遍有限。長期以來，與鋁污泥相關(guān)的關(guān)鍵問題是其成本效益和高效處理，因?yàn)槠湮勰嗔看?，環(huán)境缺陷，最終影響到世界各地的城市和區(qū)域水務(wù)設(shè)施。在我國，大部分污泥被視為廢物，被用下水道或垃圾填埋場處理，帶來相關(guān)的財(cái)政和環(huán)境成本。因此，如何合理利用明礬污泥，實(shí)現(xiàn)明礬污泥變廢為寶，已引起眾多學(xué)者的關(guān)注。本文對明礬污泥在去除廢水中重金屬、磷、其他污染物等，以及吸附劑的材料合成方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合闡述，并對明礬污泥作為吸附材料對環(huán)境污染物吸附去除的未來研究趨勢進(jìn)行展望。

1 明礬污泥的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

在水凈化中使用的鋁鹽在技術(shù)上是硫酸鋁，一般組成為MAl(SO4)2·12H2O硫酸鋁，其中M是銨或鉀離子[1]。在飲用水凈化過程中將明礬鹽添加到原始渾濁水源中，鋁離子水解成氫氧化鋁，氫氧化鋁是沉淀物。在飲用水處理過程中，絮凝-澄清過程后，原水中的氫氧化鋁沉淀可被有機(jī)物等水不溶性雜質(zhì)吸收。鋁污泥主要為凝膠性非晶形結(jié)構(gòu)，由有機(jī)和懸浮物、無機(jī)物質(zhì)、各種微生物菌團(tuán)、凝血產(chǎn)物和化學(xué)物質(zhì)組成[2]。

2 明礬污泥應(yīng)用研究現(xiàn)狀

2.1 對水中重金屬的吸附研究

明礬污泥被認(rèn)為是污水處理廠去除污染物的主要吸附劑之一，其可以通過增強(qiáng)吸附和化學(xué)沉淀法去除廢水中廣泛的重金屬[3]；羥基鋁的無定形性質(zhì)及其高表面積是導(dǎo)致金屬吸附能力提高的主要參數(shù)。明礬污泥的吸附特性可用于去除重金屬污染物，如汞、鉛、砷、鉻和銅。明礬污泥作為重金屬吸附劑的研究存在大量文獻(xiàn)，如，Hovsepyan等[4]研究表明，明礬污泥能有效吸附和固定水溶液中的汞，最大吸附量為79mg·g-1，汞解吸率小于1.5%，有效pH范圍在3～8的明礬污泥表現(xiàn)出吸附廢水中過量汞的潛在能力；Chu等[5]發(fā)現(xiàn)，明礬污泥量為100～180mg·L-1，成功將鉛去效率從79%提高到96%～98%，使新鮮明礬鹽從175mg·L-1降低到50.0～12.5mg·L-1。明礬污泥作為一種獨(dú)特的混凝劑，在混凝過程中加入75～100mg·L-1，鉛的去除率高達(dá)94%；Sarkar等[6]添加明礬污泥作為土壤改良劑，在30min內(nèi)砷的吸收率提高了98%，添加率大于1.25%的明礬污泥降低了砷的植物有效性。Makris等[7]將明礬污泥與雞糞堆肥混合施用到土壤中作為土壤改良劑，有效地降低了砷向地下水源的遷移；雷增江等[8]吸附過程符合Langmuir等溫吸附模型和準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動力學(xué)方程，其主要吸附機(jī)理包括質(zhì)子化基團(tuán)對Cr(Ⅵ)的靜電吸附及還原作用，5次吸附-解吸實(shí)驗(yàn)后，其吸附量保持初次吸附量的89.71%；劉珊等[9]海藻酸鈉改性鋁污泥功能球在Cu(II)的吸附過程中最佳pH為5.5，吸附平衡時間為24h，吸附過程為自發(fā)、吸熱、熵增的過程，吸附等溫線擬合結(jié)果表明，功能球?qū)u(II)的吸附行為更符合Langmuir模型，表明該吸附過程為單層吸附，動力學(xué)模型研究表明，該吸附過程與擬二級動力學(xué)模型更符合，故功能球?qū)u(II)的吸附過程主要由化學(xué)吸附控制。

2.2 對水中磷的吸附研究

幾項(xiàng)廣泛研究[10,11]進(jìn)行了利用明礬污泥作為廢水中除磷吸附劑的可能性的研究。明礬污泥中大量的無定形鋁離子對廢水中的除磷非常重要，因?yàn)檫@些離子已經(jīng)被證明可以增強(qiáng)吸附和化學(xué)沉淀過程，有助于磷的固定。此外，明礬污泥通常含有大量不溶性氫氧化鋁，有利于化學(xué)混凝/絮凝。明礬污泥的混凝特性可用于去除廢水處理過程中的污染物，Yang等[12]發(fā)現(xiàn)，磷溶液的pH值對磷的吸附量有很大的影響，在酸性區(qū)域吸附增強(qiáng)。在明礬污泥吸附磷的過程中，SO42-和Cl-(廢水中典型的陰離子)對明礬污泥表面磷吸附的競爭影響不顯著，也提出磷在礬泥上的吸附是通過一種球內(nèi)絡(luò)合反應(yīng)進(jìn)行的，即磷酸鹽取代礬泥表面的官能團(tuán)并與表面結(jié)合。因此，磷酸鹽通過沉淀過程與鋁離子的吸附被描述的方程見公式(1)，并且主要的吸附機(jī)制是配體交換。

(≡Al)2HPO4+H2O+OH-

(1)

大量的文獻(xiàn)證明，明礬污泥對磷的吸附能力中pH起著決定性作用。然而，關(guān)于溶液pH值、表面電荷和污泥特性、磷的形態(tài)、明礬污泥劑量和其他工藝變量的影響，對明礬污泥對磷的吸附的大量研究應(yīng)作為指導(dǎo)去調(diào)查和了解，進(jìn)一步擴(kuò)展其利用率。Mortula等[13]研究認(rèn)為，烘干明礬污泥對于中小城市來說是一種低成本且可靠的除磷技術(shù)方案；Yang等[12]提出廢水中0.14～3.20mg·L-1到597～675mg·L-1范圍內(nèi)的磷可通過施用礬泥輕松去除。胡靜等[14]研究了脫水鋁污泥對水中磷的等溫吸附特征和動力學(xué)過程，考察了3個因素對脫水鋁污泥吸附磷的影響。結(jié)果表明，脫水鋁污泥的等溫吸附特征符合Langmuir和Freundlich方程，其中Langmuir方程描述更為準(zhǔn)確，其最大飽和吸附量為11.1mg·g-1。王天曉[15]等認(rèn)為，Langmuir和Freundlich方程均能較好地描述給水處理廠廢棄鐵鋁泥對磷的等溫吸附過程，且當(dāng)pH從5增至9時，磷的飽和吸附量從41.68mg·g-1減小到17.08mg·g-1。pH越低，磷與廢棄鐵鋁泥的結(jié)合能力越強(qiáng)。Yang等[16]研究指出，明礬污泥適合用作從廢水中去除磷酸鹽的吸附劑。

2.3 對水中其他污染物的研究

明礬污泥也被用于去除其他污染物，如氟化物[17]、高氯酸鹽[18]和紡織染料[19]去除。

2.3.1 氟化物吸附劑

含氟/氟化物的危險廢物來源于在生產(chǎn)過程中使用氟或其類似化合物作為原料的工業(yè)。Sujana等[17]研究表明，明礬污泥由于其不均勻的表面積和不同的金屬氧化物，顯示出較高的氟化物吸收能力，最佳pH值為6時，氟離子從水溶液中完全去除，氟吸附速率在最初的5min內(nèi)很快，在4h內(nèi)達(dá)到平衡。

2.3.2 高氯酸鹽吸附劑

2.3.3 紡織染料吸附劑

在廢水組成和排放量方面，紡織工業(yè)被認(rèn)為是污染最嚴(yán)重的部門之一。紡織染料已逐漸成為造成嚴(yán)重環(huán)境危害的人為有機(jī)物質(zhì)。Chu[19]提出，明礬污泥可用于去除紡織廢水中的疏水染料，去除效率為88%。不推薦使用鋁污泥去除親水染料，因?yàn)橛H水染料的高溶解度特性會在回收過程中去除水質(zhì)。

3 總結(jié)

綜上所述，以明礬污泥為原料制備的吸附材料具有原材料來源廣、價格低廉、環(huán)保、減輕廢棄物處理負(fù)擔(dān)等優(yōu)點(diǎn)，在對去除水環(huán)境的污染物處理中有著很大的應(yīng)用和發(fā)展前景，在國家倡導(dǎo)創(chuàng)建資源節(jié)約型的社會時代背景下，明礬污泥的再利用能夠同時實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益，對實(shí)現(xiàn)資源的可回收利用、變廢為寶具有重要的研究和應(yīng)用價值。