污水污泥吸附劑的研究進展

1、污水污泥吸附劑的研究進展 摘要：隨著城市的快速發(fā)展，大量污泥的產(chǎn)生將不可避免。利用污泥制備吸附劑是針對傳統(tǒng)污泥處理處置方法的弊端而發(fā)展的污泥資源化技術(shù)之一，是符合當下社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的。本文著重介紹了污泥吸附劑技術(shù)的研究進展及其在廢水廢氣治理方面的應(yīng)用，并對污泥吸附劑未來的研究發(fā)展做出展望。 關(guān)鍵詞：污泥；吸附劑；碳化；活化； progress in study on adsorbents for sewage sludge abstract: with the rapid development of cities, a large number of sludge produced wi

2、ll be inevitable. the use of preparation of adsorbents is one of the sludge technology developments for the drawbacks of traditional methods of sludge treatment and disposal, and it is in line with the current social sustainable development strategy. this article focuses on the research progress of

3、sludge adsorbent technology and the application of wastewater and waste gas treatment, and makes look out on the sludge adsorbent future research and development. key words: sludge; adsorbent; carbonized; activation 中圖分類號：s141.6文獻標識碼：a 文章編號：2095-2104（2012） 引言 目前，生化處理法已廣泛應(yīng)用于城市和工業(yè)廢水的處理，隨之而來的大量高含水率且成分復(fù)

4、雜的剩余污泥的處理轉(zhuǎn)而變成一大棘手問題。污泥若得不到妥善處理，會對周圍環(huán)境造成嚴重污染，因此污泥的處理已成為當下一個迫在眉睫的重大課題。 據(jù)統(tǒng)計，2010年我國城鎮(zhèn)污水處理率達到60%，每年全國污泥產(chǎn)生量達到3000萬噸，污水處理廠達到1800座。中國污泥處置現(xiàn)狀70%以上棄置，20%填埋，剩余不到10%的污泥是通過堆肥等技術(shù)處理后回用于土壤李雪松,張鋒,劉愚.污泥處理處置技術(shù)新進展及發(fā)展趨勢j.天津建設(shè)科技,2009(41).。 近幾年，針對當前剩余污泥的處置方法的弊端，遵循三化原則、以變廢為寶為方向提出將污泥資源化重復(fù)利用成為當今污泥處置的發(fā)展趨勢。因此，利用污泥制備吸附劑技術(shù)成為一種新的

5、污泥處置方式。在國際上有眾多學(xué)者就污泥碳化吸附劑做出了大量基礎(chǔ)性研究，并取得很大的進步和發(fā)展。 1、污水污泥的特性 1.1污泥的組成 污泥是由細菌類、真菌類、原生動物等組成，剩余活性污泥主要物質(zhì)是這些微生物及其死亡后的殘留物，即含有大量的有機物，其中大約含有60%70%的粗蛋白質(zhì)、25%左右的碳水化合物，5%左右的無機組分。剩余污泥中含碳量較高，理論含碳量約占53%朱石清,尹炳奎,朱南文.污泥改性活性炭技術(shù)及其應(yīng)用進展j,中國給水排水,2006(24).。這使得污泥具有大量的官能團，官能團的存在為吸附發(fā)生提供了條件，同時利用污泥制備吸附劑給予了理論基礎(chǔ)。 1.2污泥的吸附性能 污泥對重金屬的吸

6、附能力較強，不同種類污泥在不同條件下對重金屬離子的吸附量都不同。國內(nèi)的研究大多側(cè)重于制備活性炭，一般制備活性炭吸附量大致在幾十至一百多毫克/克(污泥)的范圍內(nèi)，對染料的吸附能力也較強，脫色效果好，對各種染料的吸附量在幾十到幾百毫克/克(污泥)范圍內(nèi)孫文田,謝忠雷,趙曉波.剩余污泥的吸附特性及其在污水處理中的應(yīng)用j.環(huán)境保護,2008(16). 。 2、碳化污泥吸附劑研究進展 制備污泥吸附劑常用的方法是：以污泥為原料，進行碳化和活化處理。 2.1碳化污泥吸附劑技術(shù) 2.1.1污泥碳化技術(shù) 由于污泥含碳的本質(zhì)，污泥具備制備活性碳的潛質(zhì)，這個想法最早在1971年由kemmer等提出。同年beeckm

7、ans和ng(1971)ng pc beeckmans jm. pyrolyzed sewage sludge-its production and possible utilityj. environmental science and technology,1971(69).研究了通過碳化污泥來制備吸附劑。也有研究表明使用污泥制備活性炭吸附劑要比用通常的原料節(jié)省10%的費用。 所謂污泥碳化，就是通過給污泥加溫和加壓，使生化污泥中的細胞裂解，將其中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留了污泥中碳質(zhì)的過程。污泥碳化的優(yōu)勢在于，污泥碳化是通過裂解方式將污泥中的水分脫出，能源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含

8、量高，發(fā)熱量大。污泥碳化通過對污泥改性提高脫水性能，其過程不存在變相，故能耗比傳統(tǒng)干燥技術(shù)低50%，比直接焚燒低80%畢三山.污泥碳化工藝的特點與發(fā)展展望j.工程技術(shù)研究,2010(22).。 污泥碳化分高溫碳化、中溫碳化和低溫碳化三種。其中高溫碳化溫度為12001800f（649982），技術(shù)上較為成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工業(yè)以及美國的ies等。該技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復(fù)雜，運行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規(guī)模的應(yīng)用；中溫碳化溫度為8001000f（426537）。該技術(shù)的代表僅為澳大利亞esi公司，該公司在澳州建設(shè)了一座日處理量為100噸/

9、日的規(guī)模。該技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過于多樣化，利用十分困難。該技術(shù)是在干化后對污泥實行碳化，其經(jīng)濟效益不明顯；低溫碳化溫度為600?左右（315），該技術(shù)是通過加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過機械方法即可將污泥中75%的水分脫除，極大地節(jié)省了運行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件6。 2.1.2污泥碳化的影響因素 對于不同的污泥，由于其組成不同，其最佳的碳化溫度不同。通常，研究表明在高溫下進行碳化可以帶來較高的比表面積，主要原因可能是原料內(nèi)部的含碳物質(zhì)發(fā)生了芳構(gòu)化；高溫

10、下無機物中脫除的結(jié)晶水可以看作活化劑，增加了微孔的產(chǎn)生；較高的溫度下使得原來被揮發(fā)性物質(zhì)堵塞的孔道得以疏通。 相關(guān)的影響因素還可能包括：碳化時間和碳化所使用的升溫速率。當碳化溫度超過900時增加碳化時間會造成材料燒結(jié)和碳骨架的收縮。由芳構(gòu)化引起的收縮會縮減或閉合孔道入口從而導(dǎo)致比表面積的下降。因而，較高的碳化溫度對應(yīng)的是較短的碳化時間；而在碳化時間較短的情況下，升溫速率就可能會對碳化的效果產(chǎn)生影響。在碳化過程中，升高碳化溫度可以增加中孔與大孔的數(shù)量，而微孔的增加則遵循另一種規(guī)律。在較低的溫度下，由于污泥中水、小分子物質(zhì)、多糖的揮發(fā)形成了大孔和中孔；在550 650左右，比表面積有所下降，這是由

11、于污泥中碳骨架間的物質(zhì)（eps）軟化填充了孔道，當這些物質(zhì)氣化后，會形成相當數(shù)量的大孔。而在700，組成細胞壁的肽聚糖開始分解，形成了微孔和中孔，繼續(xù)升高溫度或延長碳化時間則會破壞微孔，增加中孔及大孔的數(shù)量。同時，前處理中的干化措施也會對污泥的孔道分布產(chǎn)生影響，在108110下干燥后的污泥在550650并未出現(xiàn)比表面積的下降liu cy lua ac lu gq,low jcf.surface-area development of sewage-sludge during pyrolysisj.fuel,1995(74).，這可能是由于在較低的溫度下氧氣和含碳物質(zhì)之間的反應(yīng)使得eps發(fā)生變化

12、，抑制了其在高溫條件下的形態(tài)變化。 2.2添加輔助材料 在實際生產(chǎn)中可根據(jù)污泥的組成，適當添加鋸末、果殼、果核等輔料來提高含碳量2。將污泥與其他固體廢物混合熱解制作吸附劑。熱解溫度通常為400900，熱解溫度的持續(xù)時間為30120min。此外，可以通過加入添加劑來改善污泥吸附劑的性能。與污泥單獨熱解相比，添加輔料制得高比表面積的吸附劑，這主要取決于所加輔料的含碳量以及混合比例。 2.3活化技術(shù) 制備活性碳的活化技術(shù)一般可以歸為兩類：物理活化和化學(xué)活化。 2.3.1化學(xué)活化 化學(xué)活化法是通過添加影響熱分解過程的活性物質(zhì)等手段。目前廣泛使用的活化劑有氯化鋅、磷酸、硫酸、氯化鈣、氫氧化鈉等對原料具有

13、脫水作用和浸蝕作用的化學(xué)藥品；以及重鉻酸鉀、高錳酸鉀等具有氧化性的化學(xué)藥品張斌,普紅平.污泥含碳吸附劑的制備與應(yīng)用研究j.工業(yè)安全與環(huán)保,2006(02).。 2.3.2物理活化 物理活化是先將污泥直接高溫?zé)峤?然后通入適當?shù)臍怏w狀態(tài)的物質(zhì)進行反應(yīng)的方法。最常用的活化氣體是水蒸氣、二氧化碳以及它們的混合氣體和氧氣9.10。 研究表明，采用氣體活化制成的吸附劑的比表面積為62269m2/g，比污泥直接熱解制得吸附劑的比表面積高。經(jīng)濟技術(shù)分析表明，污泥由水蒸氣活化制作吸附劑的成本比污泥農(nóng)用高，但是比污泥焚燒經(jīng)濟rio s,le coq l,faur c,et al.preparation of a

14、dsorbents from sewage sludge by steam activation for industrial emission treatmentj.process saf environ prot, 2006(04). 。 現(xiàn)在也有將物理活化法和化學(xué)活化結(jié)合起來的活化技術(shù)，稱為物化活化法?？偟膩碚f，對于評價吸附劑性能用途除了考慮比表面積外，還應(yīng)結(jié)合所制成吸附劑的應(yīng)用領(lǐng)域來考慮9。 3、污水污泥吸附劑的應(yīng)用 3.1在廢水中的應(yīng)用 3.1.1對染料廢水的吸附脫色 陳春云陳春云,王鵬,莊源益.剩余污泥吸附劑的制備及其吸附性能研究j.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006(29). 等按照污泥與

15、活化劑質(zhì)量比為5:3，在550下恒溫?zé)峤?0min，所得改性污泥吸附劑具有最大比表面積，并對直接深棕m和酸性媒介棕rh染料進行吸附試驗，動力學(xué)吸附速率符合lagergren模型，等溫吸附與freundlieh和langmuir模型有較好的擬合，吸附容量達到16mg/g。李桂芳李桂芳,孟范平.污水污泥對染料廢水的吸附脫色性能研究j.中國海洋大學(xué)學(xué)報,2005(35).等將污泥經(jīng)400焙燒，在廢水ph為1，吸附時間為30min,水溫為30下對中性橙、中性黑bl和元青分別進行吸附。三種染料廢水的脫色率均達98%，最大吸附量都在29mg/g左右。尹炳奎尹炳奎,朱石清,朱南文等.生物活性炭的制備及其染料

16、廢水中的應(yīng)用j.環(huán)境污染與防治,2006,(26). 等以3mol/lzncl2溶液活化活性污泥，并通入水蒸氣作活化氣在溫度為600活化時間為1h制得的活性炭吸附劑比表面積為381.62m2/g，孔容積為0.25cm3/g，微孔容積為0.11cm3/g。在投加量為2%（質(zhì)量分數(shù)）吸附15min時對廢水的脫色率可達99.6%。解建坤解建坤,岳欽艷等.污泥活性炭對活性艷紅k-2bp燃料的吸附特性研究j.山東大學(xué)學(xué)報,2007(42). 等采用zncl2活化法制得污泥吸附劑，比表面積為298m2/g，具有中孔性和開放的孔結(jié)構(gòu)，對活性艷紅k-2bp的吸附去除率可達90%。吳桂萍吳桂萍,劉朝飛等.化工廠

17、剩余污泥做生物吸附劑對水溶液中活性紅4的吸附j(luò).中南名族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007(26). 等利用化工廠污水剩余污泥作材料制得吸附劑，對活性紅4進行吸附，在ph=1，吸附時間為60min時吸附劑達到最大吸附量（31.131.824）mg/g，實驗表明鹽的存在對活性紅4的吸附有一定的阻礙作用。同年，吳桂萍吳桂萍,劉成付,崔龍哲.剩余污泥生物吸附劑對活性紅4的吸附研究j.水處理技術(shù),2007(33). 等人利用啤酒廠污水的剩余污泥經(jīng)質(zhì)子化制備吸附劑（吸附劑上主要含磺酸基、磷酸基、氨基三個官能團），對活性紅4進行吸附，吸附時間24h，ph=1的條件下取得最大吸附量為（60.353.64）mg

18、/g。此次研究顯示鹽對吸附無明顯影響。劉寶河劉寶河,孟冠華等.污泥吸附劑對3種染料吸附動力學(xué)的研究j.環(huán)境工程學(xué)報,2011(05). 等人以脫水污泥、鋸末和焦油的混合物為原料，采用氯化鋅活化法制得過渡孔發(fā)達、高強度的顆粒狀污泥吸附劑(s-ac)。s-ac的比表面積為358m2/g，強度89%，對酸性大紅、中性紅和堿性品紅分別在150、120和120min時基本達到平衡，吸附量分別為75.19mg/g、65.79mg/g、64.10mg/g，吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)符合偽二級方程。劉漢湖劉漢湖,張雙圣等.污泥與煤共熱解制備吸附劑及其對活性艷紅x-3b的吸附性能j,2011(24). 等以脫水污泥和煤為原料共熱解制備吸附劑的比表面積為189.23m2/g，對活性艷紅x-3b的吸附量隨著吸附時間、溫度、吸附劑投加量的增加均增大，但隨著ph的增大而減小。實驗說明活性艷紅x-3b在吸附劑上的吸附比較符合單分子層吸附形式。 研究表明，不同種類的污泥對同一染料的吸附能力也是不同的，同一污泥對不同染料的吸附能力也不同孔旺盛,劉燕.染料的生物污泥吸附j(luò).化學(xué)通報,2007(02). 。不過污泥吸附劑對染料都顯示了較好的吸附性能，有的甚至優(yōu)于活性炭的效果。 3