硅藻土在环境工程领域的应用进展

关 峰，张 亮

硅藻土在环境工程领域的应用进展

关 峰1，张 亮2

（1.青岛科技大学 环境与安全工程学院，山东 青岛 266042；2.中国石油大学（华东）环境科学与工程系，山东 青岛 266555）

综述了硅藻土在废水、废气和土壤等环境污染治理领域的研究进展和存在的问题，认为硅藻土作为一种物理化学性能优良的添加助剂，表面结构独特，吸附性能良好，对其进行改性可以适应各种需求。许多研究表明，经过改性的硅藻土对废水、废气和土壤中重金属、无机和有机污染物均具有良好的吸附或降解效果，但是大多研究都处于实验室水平，并且大多都是单因素、单污染因子的实验研究，而对多因素多污染因子的研究较少。具体应用效果还有待于实际应用的验证。

改性硅藻土；环境污染；修复；应用进展

硅藻土是一种由硅藻及其他微生物的硅质遗体沉积而成的生物硅质沉积岩，在全球分布十分广泛，而且资源丰富[1]。其主要化学成分是无定形的SiO2，矿物成分除硅藻之外，还有各种黏土及白云石等。硅藻土颜色为白色、浅灰色等，有其独特的物理与化学特性，具有发达的微孔结构、比表面积巨大、质轻、吸附能力强、低导热性、化学稳定性好，同时其价格便宜，使用操作简便[2-4]。硅藻土具有有利的物理化学性质，使得其在环境工程领域具有广阔的应用前景。目前国内外对采用硅藻土处理废水、废气已经有过较多的研究[5-6]，而对土壤修复方面研究相对较少。硅藻土呈粉体状，再生困难，在反应器中容易流失和堵塞，这些缺陷使得硅藻土在废水处理上的直接应用受到了较大的限制。根据不同的用途，在不影响硅藻土原有吸附性能的基础上对其进行物理改性，可以提高硅藻土应用的可操作性，这对于提高硅藻土在废水、废气和土壤等修复方面的应用水平具有非常重要的意义。经改性后硅藻土可以作为无机载体、填料或稳定化剂等，可操作性得到极大提高。本研究旨在通过对硅藻土在环境工程领域中的应用现状进行综述和分析，为今后的研究开发工作提供启发与参考。

1 硅藻土在废水处理中的研究与应用

1.1 以硅藻土为原料制备改性硅藻土作为吸附剂处理废水

吸附法对水中污染物质的去除率较高，在工程实践中有着广泛的应用。目前应用研究较多的废水处理吸附材料主要有沸石、活性炭、硅藻土、蛭石、蒙脱石及廉价的废弃物等[1-2，6-7]。硅藻土具有巨大的比表面积，并且硅藻土颗粒中含有大量硅羟基，硅羟基在水溶液中会解离出H+，从而使硅藻土的表面带有较强的负电荷，是一种性能优良的吸附剂[8]。为进一步提高硅藻土的吸附性能，大量研究人员对其进行了一系列的改性工作。范艺等[9]采用表面交联法合成了锆改性硅藻土，并对水体中的磷进行吸附研究，发现锆改性硅藻土对磷的吸附量高于纯氧化锆吸附剂，并且其对水体中的磷的吸附量随pH值的上升而下降，对磷浓度为2 mg/L的富营养化湖水，锆改性硅藻土投加量大于1.25 g/L时，反应后水体中磷浓度即可满足《地表水环境质量标准》规定的湖库Ⅲ类标准。王芳[10]用过渡金属（Fe、Cu、Zn）改性硅藻土，研究了其对氨氮的吸附行为，结果表明，过渡金属Fe的添加能在一定程度上提高硅藻土的氨氮吸附性能，当Fe的添加量为7%时，氨氮吸附量为1.18 mg/g，氨氮去除率为未改性硅藻土的2.19倍。

1.2 以硅藻土作为原料制备填料

硅藻土作为一种具有丰富微孔结构、巨大比表面积、高孔隙率、吸附能力强、化学稳定性好、资源丰富等优点的廉价矿石材料，可以作为制备活性污泥法和生物膜法中填料的原料来提高处理效率。施云芬等[11]利用硅藻土作为主要原料制备填料和MBBR反应器中的生物载体，制备的填料可悬浮性能较好，脱氮除磷效果提高明显。结果表明，在950℃，膨润土和碳粉含量分别为30%和10%的条件下，所制备的硅藻土填料的性能优良，孔隙均匀，比表面积达到280 m2/g，吸附能力强，出水COD、NH3-N和TP去除率分别为23.96%、63.33%和95.77%。朱健等[12]以硅藻土为主要原料，与超细碳粉、烧结助剂和粘结剂按一定比例混合、搅拌、造粒，在设定程序下煅烧，制备出了硅藻土基多孔吸附填料（DBPAF）并将其用于处理含铅废水，结果表明DBPAF的可操作性明显提高，孔隙结构得到了明显改善，DBPAF对水体中Pb2+吸附容量较硅藻土原土（粉体）提高了78.0%。

1.3 硅藻土为原料制备活性污泥法中微生物的载体

活性污泥上栖息着以菌胶团为主的微生物群，对有机物具有很强的吸附与氧化的能力。硅藻土物理特性独特，具有丰富的孔隙以及比表面积，如果加在活性污泥中，那么微生物就可以通过其多孔结构进行粘附，硅藻土也就能够作为微生物的载体，从而提高微生物的生物活性，并能减少污泥膨胀[13]，进而提高出水指标。Zhang等[4]通过将硅藻土加入活性污泥系统中，并与原系统进行对比实验，结果表明在活性污泥系统中添加硅藻土能够提高含酚类化合物废水处理系统中的生物量并且可以增强污泥的沉降性能，显微电镜照片显示，添加的硅藻土可以作为微生物的载体，提高生物量，添加硅藻土能够提高废水中COD和总酚的去除率。

1.4 硅藻土作为生产助滤剂及过滤剂

随着自然水源环境污染加剧和我国饮水标准的日益提高，饮用水进行深度处理以脱除各种有机物和有害化学物质受到人们的密切关注。精细过滤器在处理污水过程和净化水质工艺中作用巨大，能将污水的杂质自动进行过滤。目前深度处理的精细过滤方法主要有：反渗透、纳滤、超滤、臭氧氧化、活性炭吸附和膜分离等[14]。与传统意义上的精细过滤相比，硅藻土的粒径比较小，所以出水的悬浮固体的含量和粒径是远小于常规的过滤工艺的；由于硅藻土过滤层较易脱落，其滤膜可以反复预涂，这些特点与超滤膜或陶瓷膜过滤相比，克服了超滤膜或陶瓷膜的易堵塞、反洗较困难等技术性难题，是一种应用前途非常好的精密过滤技术。付蕾等[15]在新疆油田风城1号稠油联合站污水处理系统现场结合工业化需求试验了硅藻土过滤器，以考察硅藻土过滤器对油田采出水二级过滤的技术是否具有可行性和经济适用性。结果表明：硅藻土过滤器处理出水的含油量大部分低于2 mg/L，SS含量大部分低于1.5 mg/L，对比二级过滤指标要求，出水基本满足要求。罗红兵等[16]采用烛式硅藻土过滤器，以硅藻土作为助滤剂过滤制碱卤水，采用恒压0.18 MPa过滤，硅藻土过滤周期2 h，过滤速率1.2 m3/(m2·h)，负载量 2.5 kg/m2，处理后的卤水浊度由34.5 NTU降低到2 NTU，效果非常明显，可以实现工业化应用。

2 硅藻土在废气和土壤改良处理中的研究与应用

2.1 以硅藻土为原料制备多孔材料吸附废气中有机污染物

有机污染物特别是挥发性有机污染物（VOCs）大多具有刺激性和毒性，具有“三致”效应，并且可以作为光化学烟雾的前驱体，对人类的健康影响较大。吸附法处理VOCs的能耗较低，去除率高，价格也比较低廉，几乎没有二次污染。硅藻土价格低廉，且吸附性能良好，近年来，有关学者通过对其进行改性，大大提高了硅藻土对有机污染物的吸附能力，Yuan等[17]采用简便的涂层工艺制备出一种具有高苯去除效率的新型分层多孔硅藻土/硅沸石-1复合材料。所得复合材料具有层状多孔结构，并保留了硅藻土载体的大孔结构，沸石负载量高达60.2%。其为苯分子提供了更多的可能入口，与其他硅沸石材料相比能更好地渗透苯。此外通过硅藻土负载纳米TiO2等光催化组分，使其不仅具有吸附甲醛、甲苯、苯酚等有机污染物的功能，而且具有光催化降解这些有机污染物的功能。张栋等[18]采用液相沉积法制备出纳米TiO2/硅藻土复合材料。通过将TiO2负载硅藻土上，提高了TiO2粒子分散性和改善其晶体结构，抑制光生电子与空穴复合，提高TiO2光催化活性。其研究表明，TiO2负载量为33.3%，40 W日光灯下光照60 min条件下对甲醛降解率最高。

2.2 硅藻土作为稳定化剂或土壤改良剂在土壤修复方面的应用

硅藻土具有优良的吸附性能，对各种污染物均具有吸附能力，但是目前主要应用于水体的治理方面，理论上也能应用到土壤中污染物的处理工作中。朱健等[19]发现硅藻土可以通过孔道内的化学反应达到土壤中铅的有效固定，并降低其生物有效性，硅藻土对Pb2+吸附动力学实验表明，其最大吸附量qm为10.428 mg/g，可有效改良土壤铅污染状况。朱健等[20]还发现以硅藻土作为改良剂能有效固定土壤中的Cd，当添加浓度为30 g/kg时，土壤有效态Cd稳定化率能达到57.2%。此外，无定性的硅藻土颗粒能够吸附超过其自身体积1.5倍的水分，土壤有效水分含量显著增加，同时表面多孔性质也是肥料的良好载体，对氮磷钾具有良好的缓释作用，因此也是一种优良的土壤改良剂[1，21-22]。

3 硅藻土在处理环境污染问题时存在问题及发展展望

3.1 存在的问题

综合来看，目前硅藻土在处理废水废气等环境污染问题所存在问题主要存在于四个方面：第一，随着现代工业的发展，产生的工业废气、废水和土壤等的成分越来越复杂，而硅藻土和改性硅藻土所具有的性能、性质以及性状越来越难以满足工业化处理标准的要求，急需可行的工艺与技术来提升硅藻土产品的质量；第二，对于工业废水的处理的这些研究只是单一因素单个污染因子的实验，没有考虑其他污染因子的一些影响，但是在实际工业生产中，废水废气的成分十分复杂，污染物的种类也非常多，所以说这些实验所得到的结果需要实际运行验证；第三，有些硅藻土制剂的应用是以粉末形式，所以在实际运行中可能会对后期处理产生一定影响，较容易造成二次污染；第四，硅藻土在废水和废气的治理方面应用较多，而在土壤污染物尤其是在土壤有机污染物治理方面的研究还相对较少。

3.2 发展展望

硅藻土作为一种新型的环境修复剂，发展潜力巨大，其独特的结构使其具有许多优异的性能，而且使用硅藻土处理各种污染物方面存在价格低廉、效率高的优势，使其发展前景十分广阔。因此需要深入探讨硅藻土在工业废水、废气和土壤的处理中的吸附机理与动力学特性，找到规律与影响因素，以满足硅藻土对不同类型污染物处理的需求。以硅藻土为原料，通过其他物质与之结合，使其改性，优势互补，相互促进，使之发挥最大效能。另外，一个工业化的污染物处理系统都是多个工艺结合，共同作用以发挥最大效能，因此应加强硅藻土处理工艺的研究与其他处理技术和工艺的结合，从而形成高效经济的组合处理工艺，这样既降低了成本，又提高了效率。总之，硅藻土作为新型的材料，应用前景十分广阔，其潜力有待于通过实验进一步发掘，从而使其得到充分利用。

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Application Progress of Diatomite in Environmental Engineering

Guan Feng1,Zhang Liang2
（1.College of Environment and Safety Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266042,China;2.Department of Environmental Science and Engineering,China University of Petroleum,Qingdao Shandong 266555,China）

Reviewed the research progress and raised some existing problems of diatomite in the treatment of environmental pollution on wastewater,exhaust gas and soil.Diatomite has excellent physical and chemical properties,unique surface structure and good adsorption performance.After modification,it can be adapted to various needs.Numerous studies showed that modified diatomite good adsorption or degradation effect on heavy metals,inorganic and organic pollutants in wastewater or exhaust gas.However,most of the researches are in the laboratory level.And most of them are single-factor and single-pollution factor experimental study,and there are less research on the effect of multi-factor and multi-pollution factor.Therefore their results need to be verified by practical applications.

modified diatomite,environmental pollution,remediation,application progress

X53

A

1008-813X（2017）05-0054-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.05.14

2017-06-20

关峰（1993-），男，山东枣庄人，青岛科技大学环境科学与工程专业在读硕士研究生，主要从事土壤污染及其防治技术方面的研究。

（编辑：程 俊）