污泥处理吸附剂的制备

发布时间：2022-10-05 10:08 热度：

摘要 综述污泥吸附剂的制备及吸附性能的研究进展，与商业活性炭进行经济技术对比，得出污泥吸附剂的独特优势，指出其诱人开发前景。污泥吸附剂主要包括活性炭型吸附剂和生物吸附剂，目前主要应用于废水中重金属离子和色素的处理。研究发现，污泥吸附剂对于非极性污染物有更好亲和性，其中生物吸附剂对于大分子色素具有独特的优势，适合处理有机污染物，它实现了污泥的资源化利用，符合循环经济理念，值得推广。目前国内在此方面的研究甚少，特别是在大气领域还有待进一步开发。

　　

　　 关键词 污泥处理 吸附剂的制备 循环利用 污泥资源化

　　 污泥是污水处理厂的主要副产物之一，成分复杂，含有难降解的有机物、重金属和盐类以及少量的病原微生物和寄生虫卵等[1]，容易对环境造成二次污染，必须进行妥善处理。污泥的处理成本相当大，几乎占到污水处理成本的50%甚至更多[2]。随着城市化进程的加快，我国污水处理厂建设速度飞速增长。随着“十一五”规划的深入，各地县级污水处理厂建设脚步也在加快，保守计算，截止到2010年底，我国至少有近3000座污水处理厂达到运营状态，预计污水处理量将达4.4×1010 m3·d-1[3]。在城市污水处理中，一般会产生占污水体积0.02%的污泥，按此比例，2010年我国污泥量将达到3.21×109t，如何将产量巨大、成分复杂的污泥进行妥善处理，使其无害化、资源化，成为世界各国学者共同关注的重大课题。本文主要介绍污泥制备活性炭型吸附剂和生物吸附剂的研究进展。

　　1 活性炭型吸附剂

　　 活性炭是一种高性能吸附剂，具有丰富的孔隙结构，特别是发达的微孔，因而吸附容量大，且耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂，被广泛用于工业三废治理、室内空气污染治理、溶剂回收等环保领域。污泥的主要成分是大量的生物质固体，干污泥污泥中可挥发性有机碳占到35.9%-41.4%[6]，高温焙烧后生成大量酥松多孔的结构，增大内比表面积。经碳化处理，其固定碳含量可达到46.84%[7]，高比例的碳含量使得污泥制备活性炭型吸附剂成为可能。用城市污水厂污泥制备价格低廉的吸附剂，是上个世纪70年代出现的一种新型利用途径。

　　 下面就活性炭型吸附剂的制备及表征、吸附性能及其应用进行分析阐述。

　　1.1 制备及其表征

　　 活性炭型吸附剂的制备方法主要有两类，一类是活化法，包括物理活化和化学活化，另一类就是微波诱导热解法。目前应用较多的是化学活化法，其主要工艺流程如图1。

　　 国内外科研工作者通过XRD，BET法，FT-IR，SEM等现代分析测试方法，结合液相吸附法对制备的吸附剂进行了表征。Xiaoge Chen [15]等以5mol/L的ZnCl2为活化剂，采用程序升温法(15℃/min)，在500℃氮气氛下制得BET比表面积达647.4m2/g，微孔占到32.7%。并指出该类吸附剂由于含有大量的硅而对非极性吸附质具有更好的亲和力。

　　 任爱玲[17]等以城市污水厂污泥为基本原料、氯化锌为活化剂，采用传统制备工艺，通过正交试验得出活化法的最佳工艺条件为：以40%氯化锌溶液为活化剂，于600℃下在氮气氛中活化20min，固液比为1/2～1/3。此种情况下制备的吸附剂大孔、中孔、微孔容积分别为0.39～0.53mL/ g、0.10～0.15mL/ g、0.15～0.23mL/ g，比表面积为193～256 m2•g－1，IR峰中出现C-OH，C-H，N＝O，C＝C功能组，孔结构是具有平行壁的狭缝状介孔结构。其SEM照片如图2所示。

　　1.2 吸附性能及其应用

　　 目前，对活性炭型污泥吸附剂的吸附性能研究主要集中在处理废水和废气两个方面，其中在废水处理方面的应用更为广泛。

　　废水处理

　　 夏畅斌[20]等用污泥吸附剂在室温下吸附起始浓度≤50 mg/L 的Cr ( Ⅵ)，20 min后，其吸附率可达95%以上。翟云波[21]等利用污泥吸附剂在间歇反应器内对水溶液中Cd2 + 和Ni2 + 离子进行了吸附性能研究，在吸附剂投加量不少于10g·L-1和20g·L-1的条件下，Cd2 +，Ni2+离子吸附达到平衡时的接触时间仅为60min。

　　 在染料废水的处理方面，尹炳奎[22]等投加2%的活性炭污泥吸附剂经过15 min对酸性大红GR染料废水色度去除率达99. 6%，TOC去除率达99. 7 %。Maria J. Martin [23]用污泥吸附剂处理稀溶液中的染料，用硫酸处理过的吸附剂具有非常好的效果，在pH＜4时，其吸附效果好。袁春燕[19]等用微波热解法制得的吸附剂处对400 mg/L的雅格素蓝去除率为 75%，对50 mL的碱性品红染料去除率达95%。

　　废气处理

　　 余兰兰[24]等以城市污水厂剩余污泥为原料，利用活化法制备成的烟气脱硫吸附剂性能较好，效率略低于商品活性炭。相关研究表明污泥吸附剂吸附机理为：SO2扩散到吸附剂的孔隙中，进行物理吸附，接下来经吸附剂中C及其它金属物质催化被氧化成SO3，由于有水的存在，SO3与水反应生成H2SO4，产物再进一步与氧化物反应生成硫酸盐等。

　　 此外，污泥吸附剂还可以用于H2S的吸收，G. Q. (Max) Lu[25]等将污泥在650℃下用ZnCl2活化3个小时后，得到BET比表面积为309m2/g的吸附剂，其吸附容量为商业活性炭的25%。Robert Pietrzak[14]将污泥吸附剂用于NO2的处理，并得到最优条件(650℃热解60min)下吸附剂的吸附容量为32.4mg/g，但是制得的吸附剂BET不大，且NO2极性比较强，性能还有待进一步改善。

　　2 生物吸附剂

　　 生物吸附是利用某些生物体本身的化学结构及成分特性来吸附污染物质，然后通过固液两相分离来去除污染物质。在不破坏官能团的条件下，可以将污泥经简单处理制备成生物吸附剂，用于吸附废水、废气中某些污染物质。

　　2.1 生物吸附剂的制备

　　 生物吸附剂的制备简单，污泥脱水后，60℃下烘干，破碎、研磨、过30~60目筛，取筛下级分即可。崔龙哲[26]等人在烘干之前将污泥进行了质子化处理，用于提高污泥吸附效果。具体做法是将该污泥用1 mol/L的HNO3浸泡振荡24 h，然后用去离子水洗涤3次，离心分离。因酸处理后，污泥上的阳离子基本被H+置换，因此也称为质子化生物吸附剂。

　　2.2 生物吸附剂的吸附性能

　　 污泥所蕴含的大量有机物及微生物尸体使其具有大量的官能团，孔隙结构也为吸附提供了众多的吸附点。因此具有很好的吸附效果。污泥吸附剂处理方法比较简单，对处理设备要求不高，值得推广。

　　 崔龙哲[26]等发现，焦化厂污水处理车间的污泥经质子化处理制备成的生物吸附剂对RR4(活性红4)的吸附所需平衡时间为48h。pH为1和2时，Langmuir和Freundlich方程均能较好拟合，对RR4的最大吸附量为(72.33±5.59)mg/g，此外，ρ(RR4)为100 mg/L时，盐浓度吸附效果不产生可见影响，ρ(RR4)为500 mg/L时，盐的存在对吸附有阻碍作用。

　　 卢声[28]等将生物吸附剂与活性炭对碱性紫染料的吸附性能进行比较。发现吸附剂投加量大于4g/L时，两者的吸附性能具有可比性，最大吸附能力分别可达到100mg/g和92mg/g，去除率均达到95%以上，且静态等温吸附基本符合Langmuir等温方程。具有较大孔隙结构的生物吸附剂在吸附某些大分子色素(如亚甲基蓝)时比活性炭吸附剂具有更大吸附容量。


                   
      
  
                    　　 目前生物吸附剂的制备和性能方面仍存在不足，局限于对染料的吸附上，主要是由于污泥成分复杂，不同的污泥往往存在较大差异，这给生物吸附剂吸附特性和机理研究带来一定难度，工艺的研究也还没有系统的报道。因而笔者认为需进一步加强以污泥为原料的生物吸附剂研究，为废水的治理及污泥的资源化提供新的方法及出路。

　　3 吸附剂的经济技术对比

　　 笔者对由污泥制成的吸附剂与商业活性炭进行了经济技术对比，具体参数见表1 [19，22] 。

　　 表1 几种吸附剂的经济、技术对比

　　

　　

　　 从表中我们可以看到：

　　 (1) 1和3的碘吸附值相差不大，说明1的制备和推广具备可行性。

　　 (2) 与3的制备方法相似，前者原料来源广泛，能实现废物资源再利用，因此具有更高经济效益。

　　 (3) 1的制备可以采用微波诱导热解法，其处理时间短，可以很大程度上地降低能耗。

　　 (4) 2的亚甲基蓝吸附值最大，说明其在处理某些大分子染料时具有优势。能耗低，且同样可以处理污泥，实现废物资源再利用，在某种程度上，经济效益也是非常可观的。

　　 (5) 物理活化和化学活化法制得的污泥吸附剂各有优点，碘吸附值都与商业活性炭不相上下，在使用时应根据吸附质的不同进行合理选择。

　　4 前景展望

　　 综观目前研究报道，污泥吸附剂的研究是对剩余污泥进行处理、处置的新思路，具有良好的环境和社会效益，值得推广。要加速污泥吸附剂的工业化应用，有待于加强以下方面的研究：

　　 (1)对污泥吸附剂的机理研究不够深入, 使其在实际应用上存在不少问题，因此，未来应加强对污泥晶型结构、活性中心及表面特征的研究，以期在基础领域取得突破。

　　 (2)污泥吸附剂的吸附效果不如商业活性炭，但经济效益有可能超过活性炭。特别是技术改良后，其吸附效果可以大大提高。因此，未来要不断探索和改进实际工艺中存在的问题，开发更多价格低廉、吸附容量大的污泥吸附剂。

　　 (3)污泥吸附剂的解吸附的能力还未见报道，污泥吸附剂如果不能重复利用，仍会成为固体废物，所以污泥吸附剂的循环利用和最终去路也是进一步研究的重点。由于污泥的灰分含量比较低且灰分可用来做建筑材料添加物，因此可以采取焚烧然后应用于建筑的办法对其进行最终处理。

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