污泥活性炭在废水处理中的应用

柳 莹，孙阿惠，李 琛

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001）

环保与三度利用

污泥活性炭在废水处理中的应用

柳 莹，孙阿惠，李 琛

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001）

城市污水处理厂在处理污水的过程中会产生大量的污泥，以污泥为原料制备污泥活性炭为污泥的处置问题提供了一种新型途径。文章系统综述了污泥活性炭在废水处理中的原理及其在各种废水中的应用，并且认为污泥活性炭为我国城市污水厂的可持续发展了提供一条新的途径。

污泥活性炭；制备方法；废水处理

污泥是污水处理厂处理过程中产生的一种含水率很高的絮状泥粒废弃物，含有大量的有机物，丰富的氮磷等营养物、重金属、致病菌等有毒有害成分，而且性质不稳定，易腐化，如果处理不当会造成严重的环境污染。污泥活性炭以污泥作为原料制备活性炭，用于污水处理去除有害物质，不仅成本低廉，节约了煤和木材等珍贵资源，而且用途广泛，同时还解决了污泥的处理处置这一环境难题，并变废为宝实现了污泥的减量化、无害化、资源化。本文就污泥活性炭的制备方法及其在污水处理中的利用进行了综述，介绍了这一污泥的资源化利用的新途径。

1 污泥活性炭的制备

污泥活性炭的常用制备方法有直接碳化法、物理活化法、化学活化法、物理化学活化法和微波辐射法。

1.1 直接碳化法

碳化是对有机物质进行热解，使其中含碳物质转化为固定碳。热解碳化处理中主要是碳化温度、时间和气氛影响吸附性能。通常使用马弗炉对经过浸渍活化后的干污泥进行高温焙烧，使干污泥失去表面水、水化水和结构骨架中的结合水以及空隙中的一些杂质，减小水膜对污染物质的吸附阻力使膨润土的吸附性能发生变化。但焙烧温度不能超过500℃，时间以2 h为宜［1］。此制备方法简便快捷，但是制出的碳化产品因没有经过活化这一步，碘吸附值较低，品质较差。

1.2 物理活化法

物理活化法通常采用氧化性气体如水蒸汽、二氧化碳、氧气等，使石墨微晶的碳原子部分气化，使碳材料内部形成新孔并扩大原来的孔，从而形成发达的孔隙结构。Rio［2］等采用水蒸汽活化法研究了活化温度和时间对比表面积和产率的影响，得到最优活化温度为750～800℃和时间30～90 min。 Rio等［3］以城市污泥为原料，以氮气为保护气，在活化前用3 mol·L-1的盐酸进行冲洗，在600℃条件下碳化1h，然后在900℃，以CO2为活化气进行活化30 min，活性炭比表面积可达410 m2·g-1，主要由中孔和微孔组成。物理活化对环境污染小，因其依靠氧化碳原子形成孔隙结构，活化温度较高且活性炭得率低。

1.3 化学活化法

化学活化法选用的活化药剂主要有ZnCl2、H2SO4、H3PO4、KOH和K2S等。化学药品可以抑制含碳挥发物及焦油的形成，防止被焦油堵塞其热解生成的细孔，提高活性炭的吸收率。不同活化剂及其用量可使化学活化法在制备不同孔径分布及不同表面化学特性的活性炭方面变得更加自由。任爱玲等［4］用此法制备活性炭，碘吸附值为514～542 mg·g-1，比表面积为 193～256m2·g-1。 柯玉娟等［5］以城市污水厂剩余污泥为原料，采用ZnCl2作活化剂，热解制备污泥活性炭。实验结果表明，制备污泥活性炭的最佳条件为：热解温度550℃，ZnCl2溶液浓度为 3 mol·L-1，ZnCl2溶液体积与污泥质量比（mL／g）为 25∶1，热解时间为 25 min。 岑超平等［6］对采用ZnCl2化学活化法制备的污泥含碳吸附剂进行研究，结果表明，在合适的条件下制得的含碳吸附剂碘值在460 mg·g-1以上，产品收率＞60%，比表面积＞230 m2·g-1。 化学活化法活性炭得率较高，孔隙发达，吸附性能好。但此法对设备腐蚀性大，环境污染严重，热解能量循环利用困难，而且活性炭中残留化学药品，在应用方面受到限制。

1.4 物理化学活化法

物理化学活化法是物理活化法和化学活化法的结合。活化前对原料进行化学改性浸渍处理，可提高原料活性并在材料内部形成传输通道，有利于气体活化剂进入孔隙内刻蚀。物理化学活化法制得的活性炭既有高的比表面积又含有大量中孔，在活性炭材料表面获得特殊官能团。

1.5 微波辐射法

微波辐射法是用一定浓度的磷酸溶液浸泡经过破碎筛分的干污泥，浸泡一定时间后，将酸化污泥放入微波炉中按一定的微波处理工艺进行处理，处理后的活性炭样品用热水充分浸洗。

2 污泥活性炭处理废水的原理

污泥活性炭表面呈现不规则的多孔结构，表面粗糙，孔形状似平行壁，平均孔径为2.82～2.86nm。微孔孔容较大，利用孔隙结构和表面化学基团对废水中的有毒有害物质进行吸附。在吸附初期以毛细孔凝聚和多层吸附为主。影响吸附的主要因素有活化药剂的种类、浓度、热解时间、热解温度和活化温度等。用氯化锌、氯化铵等作为添加剂改性后的污泥活性炭表面粗糙度增大，孔隙结构更为发达，更有利于吸附的进行。

3 污泥活性炭在废水处理中的应用

污泥活性炭根据其孔隙结构和比表面积的不同，可以对不同废水中的有害物质进行物理吸附或化学吸附，因此可以用于多种废水的处理，如印染废水、重金属废水、制药废水、焦化废水等。

3.1 污泥活性炭处理印染废水

印染废水具有水量大、有机污染物含量高、碱性大、水质变化大等特点，属难处理的工业废水之一。废水中含有染料、浆料、助剂、油剂、酸碱纤维杂质、砂类物质、无机盐等。

目前工业上常用的染料废水脱色方法有絮凝沉淀（气浮）、电解、氧化、吸附、生物降解等［7］。而用污泥活性炭处理印染废水是一种新型工艺。彭怡等［8］以污泥活性炭为吸附剂，甲基紫、结晶紫、孔雀石绿和亚甲基蓝为吸附质，考察了污泥活性炭的吸附性能。结果表明，染料溶液的酸碱性影响污泥活性炭的吸附效果，碱性条件有利于吸附，其主要原因是pH改变了污泥活性炭表面的荷电状态及染料的存在形式，其吸附规律可以用Langmuir等温方程和Freundlich等温方程描述。范越阳等［9］研究了活性污泥对染料的吸附量与pH值的关系，结果表明，当pH值降到4.7左右时，活性污泥对活性艳红X-3B的吸附量迅速增大；降到3.0附近以后，虽然吸附量继续随pH值降低而增加，但变化已经不大。pH值为3是一个合适的吸附点，并根据污泥对混合染料废水的吸附情况推测吸附是一种电性吸附。

3.2 污泥活性炭处理重金属废水

环境污染方面所指的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物。活性炭对重金属离子的吸附机理目前被认为主要是金属离子在活性炭表面的离子交换吸附，同时还有重金属离子与活性炭表面的含氧官能团之间的化学吸附以及重金属离子在活性炭表面沉积而发生的物理吸附［10］。

以城市污水厂污泥为原料，氯化锌为活化剂，氯化铁或氯化铵为添加剂制得的污泥活性炭可以吸附废水中的 Gr、Hg、Zn、Pb、Ni、Cu 等多种金属离子。夏畅斌等［11］在以城市污泥改性物作吸附剂净化含Cr废水的试验中，得到吸附Cr（Ⅵ）废水的最佳条件为：吸附时间20 min，pH为中性，Cr（Ⅵ） 起始浓度不超过 50 mg·L-1，温度为 30℃。刘春华等［12］在污泥活性炭对Hg的吸附研究中得出溶液的pH、吸附剂的用量、溶液的初始离子浓度和吸附时间是决定吸附去除效率的影响因素。吸附过程符合Lagergren一级动力学方程式。利用这种吸附剂可以有效地去除工业废水中的Hg（Ⅱ）离子。张德见等人［13］利用城市污水厂污泥制取污泥含碳吸附剂，对溶液中Pb2＋进行吸附实验，研究一定条件下的等温吸附特性，并利用线性拟合和非线性拟合2种方法对等温吸附方程进行模拟。结果表明，污泥含碳吸附剂可以有效地去除溶液中的Pb2＋，得到非线性拟合求得的模型参数比较可靠，同时得到Langmuir模型比Freundlich方程更适合于描述Pb2＋在污泥含碳吸附剂表面上的吸附行为。翟云波等［14］利用城市污水厂的污泥化学活化法热解产生的吸附剂，在间歇反应器内对水溶液中Cd2＋、Ni2＋离子进行吸附性能的研究。研究表明使用该污泥活性炭去除水相中的Cd2＋和Ni2＋是适宜的，在相同的条件下，其对Cd2＋的吸附能力优于 Ni2＋。 最佳吸附条件为：pH 5.5～6.0，吸附平衡时间 60 min，Cd2＋和 Ni2＋的初始浓度分别为40mg·L-1和 30mg·L-1， 活性炭投加量不少于 10g·L-1和 20g·L-1。 夏畅斌等［15］在污泥制备活性炭对 Pb和Ni的吸附研究中，表明Pb（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）最佳吸附去除条件为：pH 6.0～6.5，吸附剂的用量大于12 g·L-1，溶液的起始浓度不大于 20 mg·L-1，吸附时间为80 min；吸附温度对去除率的影响较小。

在国外，Rozada F 等［16］研究 ZnCl2活化城市污水厂污泥制备吸附剂吸附水中重金属的能力，吸附能力顺序为 Hg （Ⅱ）＞Pb （Ⅱ）＞Cu （Ⅱ）＞Cr（Ⅲ）， 其吸附量分别为 175.4、64.1、30.7 和15.4 mg·g-1。Gasco Gabrid 等［17］研究了污泥活性炭从含盐废水中去除 Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋的能力，4 种模拟溶液是 456.54 mmol·L-1NaCl、9.72 mmol·L-1KCl，19.96 mmol·L-1CaCl2和 111.09 mmol·L-1MgCl2，化学活化法制备的活性炭显示良好的吸附能力，其对金属的去除顺序为：Na＋＞K＋＞Mg2＋＞Ca2＋。

而污泥活性炭在金属废水中的广泛应用还存在问题：（1）目前对于活性炭吸附的研究还大部分集中在单一金属离子的吸附层面，应当致力于研究多种重金属离子共吸附的污泥活性炭。（2）污泥制活性炭仅对一些重金属有较好的处理效果，吸附应用范围较窄，应加强其大范围使用的探索。

3.3 污泥活性炭处理焦化废水

焦化废水是一种典型的含有高污染、难降解有机物的高浓度工业废水。国内主要采用A／O法，A2／O法，SBR法等生物脱氮工艺处理焦化废水。污泥活性炭处理焦化废水具有较高的去除效率和经济效益。

陶冬民等［18］以污水处理厂脱水污泥为原料，在活化温度为550℃，活化剂浓度为5 mol·L-1左右，固液比为1∶2，活化时间为40 min条件下，用化学活化法制备污泥活性炭。在对污泥活性炭处理焦化废水研究中得出，随着污泥活性炭投加量的增加，脱色效果越好，脱色效果随着温度升高而下降，选择吸附时间为360 min，实际处理焦化废水无需调节pH。活性污泥炭对COD的吸附量可达 92.63mg·g-1，出水 COD 浓度为 57.12mg·L-1，达到国家一级排放标准。刘宝河等［19］在污泥活性炭对焦化废水中COD的深度处理研究中表明，污泥活性炭可能对分子直径偏大的污染物吸附性能好。活性炭对COD的吸附过程中，膜扩散为主控步骤，用ZnCl2改性的污泥活性炭对COD的吸附量在70 min时达到最大值。

3.4 污泥活性炭处理制药废水

制药废水中的污染物来自加工时所使用的化学药剂，具有难降解，毒性大等特点。目前一般用生物处理的方法处理制药废水，用活性炭对制药废水进行处理是近年来研究的一个新方向。

吕泽瑜等［20］以城市污水处理厂二沉池污泥和脱水污泥为原料，采用物理化学结合法制得污泥活性炭，并且研究了用ZnCl2改性后的污泥活性炭对加替沙星的吸附，改性后污泥活性炭表面粗糙度增大，孔结构更发达，可以有效吸附加替沙星，吸附等温线可用Freundlich经验公式拟合。吸附时间在 5～10 h 内，吸附量为 6～7 mg·g-1。由此用污泥活性炭作为一种净水剂处理抗生素废水或者难降解的其他废水是可行的，它同时也为污泥的再利用提供了一条很好的途径。

然而该实验只对污泥活性炭吸附加替沙星的效果、机理做了分析，但与实际仍有差距，例如吸附剂的重金属含量是否达标，会不会引起二次污染；制备成本的经济性；制备过程中所带来的废气废水问题等等，还需要进一步研究。

4 展望

污泥活性炭的吸附性能可以达到普通商品活性剂的80%左右，而生产成本却极大低于传统活性炭。经活性炭处理过的废水出水清，有机物含量低，可达到排放标准。如果能实现商业化，并将微生物固化于活性炭用于延长活性炭的饱和时间以降低成本，将会为我国城市污水厂的可持续发展提供一条新的途径。

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Application of Sludge Activated Carbon in Wastewater Treatment

LIU Ying， SUN A-hui， LI Chen
（School of Chemistry and Environmental Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China）

Large numbers of municipal sludge were produced during the disposal of city water.With municipal sludge on the preparation of activated carbon was a new method to disposal it.The principle of activated carbon in wastewater treatment and its application in variou wastewater were reviewed.And it was think the activated carbon would provide a new way for the sustainable development of urban wastewater treatment plant.

sludge activated carbon； preparation；wastewater treatment

X 703

A

1671-9905（2011）04-0043-04

柳莹（1989-），女，在读本科生

李琛（1980-），男，河南周口人，硕士，讲师，主要从事环境工程及污染防治方面的研究，Email：leechen＿317＠126.com电话：15991868805通信地址：陕西省汉中市陕西理工学院化学与环境科学学院

2011-11-04