沸石在污水处理中应用的进展

(合肥市滨湖新区建设投资有限公司 安徽 合肥 230601)

沸石是自然界中广泛存在的一类铝硅酸盐矿物，其种类繁多，结构复杂，主要由硅氧及铝氧骨架组成。沸石独特的结构和晶体化学性质，使其具有吸附、离子交换、催化以及耐酸碱、耐辐射和密度小等特点，可作为滤料、离子交换剂、吸附剂等广泛应用于日用化工、环境保护、石油加工等领域[1]。同时沸石价格低廉，我国沸石资源丰富，因此，沸石在污水处理中有广泛的应用前景。

一、沸石的改性

(一)天然沸石的结构性质。沸石是一种架状构造的含水铝硅酸盐矿物，主要含有Na、Ca以及少数Sr、Ba、K、Mg等金属离子。

沸石的基本结构是以Si为中心，形成4个顶点有氧配置的SiO4四面体以及Al取代Si并置换成AlO4四面体的结合体，硅(铝)氧四面体通过中间的氧原子相连，在三维空间上可形成多种形状的规则四面体构成沸石的空穴或笼，这些空穴和笼以不同形式连接则构成了沸石的孔道体系。在沸石的空穴和孔道中占据着阳离子和水分子[2]。沸石中的空穴和笼使得它具有很好的吸附功能，空穴和孔道中的阳离子使得沸石具有了离子交换功能，同时沸石较大的比表面积，使其具有很好的催化功能。沸石的这些特性使沸石在污水处理中有很大的应用空间。

(二)沸石的改性。由于天然沸石孔径和通道易堵塞，并且相互连通的程度也较差，其表面硅氧结构具有极强的亲水性，导致天然沸石吸附有机物的性能极差，并且硅氧结构本身带负电荷，故难以去除水中的阴离子污染物；天然沸石孔径小，去除重金属离子效果不理想，其吸附能力往往达不到要求。为进一步提高天然沸石的吸附、离子交换等性能，须对天然沸石进行改性处理。提高沸石的活性和寻找各种改性方法，则一直是国内外研究的热点。

二、沸石在污水处理中的应用

沸石作为一种环保友好型材料，具有吸附和离子交换等特殊的特性，使得它在污水处理中有很好的应用。对于氨氮废水，有机废水，重金属废水，含氟废水都有很好的处理效果。对沸石进行改性后能够提高污水的处理效率。同时沸石还可以作为生物污水处理中的滤料使用。

(一)沸石处理氨氮废水。水体中氨氮含量过高时会引起水体富营养化，影响水质。高浓度的氨氮废水会造成严重的生态环境后果，对饮用水的来源带来不利影响。沸石是一种有效的去除剂。

沸石具有对氨氮有较好的离子交换吸附能力、微生物易附着等特性，且易开发、价格低廉、无毒副作用，在处理氨氮废水方面有较好的应用前景。沸石在减轻冲击负荷、减少抑制因素对好氧或厌氧处理工艺的影响方面有明显作用，并能提高系统整体处理效率；在其他工艺应用中均表现出对NH4+-N的较强的去除效率，并可通过生物膜硝化再生得到交换吸附能力的恢复。目前沸石对氨氮废水的研究大多数都处于实验室或中试研究水平，在实际工程中尚未有大规模[3]。

(二)沸石处理有机废水。有机污染物是污染水源中的一类主要污染物。一些常见的有机污染物如酚类、苯胺、苯醌、氨基酸等，均可被沸石吸附。沸石对重要污染物的吸附能力主要取决于有机物分子的极性和大小，极性分子较非极性分子易被吸附，随着分子直径的增大，被吸附进入孔穴的机会就逐渐减小。

水中的有机污染物是今后水污染防治和饮用水深度处理的首要对象。沸石因其优异的吸附性能及无毒、无味且对环境没有影响，而在污水处理中有着巨大的应用潜力。同时，由于水中有机污染物的种类及含量与日俱增,单纯的一种吸附剂或一种方法往往达不到预期的目的，今后应大力开发各种方法联用的技术。

(三)沸石处理含重金属离子废水。重金属元素是无机有毒物质的主要组成成分，是具有潜在危害的重要污染物。重金属在水中容易发生迁移和转化。运用沸石的离子交换性可以去除水中的某些重金属离子，起到净化污水的作用。

沸石本身的格架结构特征和配位键不平衡，决定了沸石能够作为阳离子交换剂使用。据体积效应，沸石中的Ca2+、Mg2+等二价离子被Na+还原置换后，由于小离子Na+通过沸石内部通道时，空间位阻小，比较容易进入通道，并向通道内扩散，且内扩散速度较快，这就使沸石具有更大的离子交换能力和软化硬水的功能。沸石具有综合治理污染水源的功能，能同时去除水中的Ni2+、Co2+、C2+、Pb2+、Hg2+等重金属离子、油类和其他有机物。

(四)沸石处理含氟废水。氟是人体的微量元素之一，缺氟易患龋齿病，长期摄入过量的氟，会导致骨质疏松，骨骼变形。氟化物广泛存在于水中。

天然沸石除氟的能力很低，只能靠沸石中的Al3+的吸附作用。但通过对天然沸石改性后，对含氟废水的净化效率将大大提高。通常用铝盐铁盐的活化剂如氢氧化铝、硫酸铁、聚合硫酸铁对沸石进行处理，增加沸石的吸附特性。

(五)沸石作为生物填料在污水处理中的应用。沸石具有较大的比面积，可以作为一种理想的生物载体，将其进行微生物的适当引种、驯化后应用到污水脱氮领域，不仅可发挥其优良的吸附性能，而且还能利用微生物作用有效地去除各种形态的氮。

传统沸石作为固体填料，密度大，投加到滤池中需要固定支架，且过滤时阻力大，需要定期对滤料进行反洗，这就加大了基建投资，使操作复杂化从而运行费用增加。而对沸石进行研磨，筛分等处理，得到适当的粒径大小。然而用绿色环保型胶将研磨好的沸石小颗粒粘附在表面打磨粗糙的悬浮球的鳍状片表面，制作成新型生物沸石填料。

三、沸石的在污水处理应用中的前景展望以及存在的问题

沸石作为一种环保友好型材料，有吸附，离子交换，催化等重要特性。可去除污水中的有机物如氨氮、挥发酚、氰化物、亚硝酸盐。同时对于去除含氟废水，含重金属离子废水，放射性废水，都有很好的处理效果。我国沸石储量大，价格低廉。采用沸石处理污水具有成本低、处理效果好、环境友好的特点，因而沸石被认为是一种有较大发展空间的水处理材料。

但在沸石处理污水的应用中仍存在一些问题：

(1)目前对沸石的研究大多数都局限于在实验室中的理论研究，在实际应用中较少，市场工艺不成熟。所以，将沸石在污水对污水处理的应用从实验室里走出，变为一种可利用的成熟的污水处理工艺，以及与其它的污水处理有机的结合起来，有待研究。

(2)沸石的再生存在问题：沸石的再生方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法通过高温灼烧，再用气体反吹洗。该方法须高温，容易造成资源浪费。化学法是通过化学试剂浸泡，冲洗再烘干。该方法易造成二次污染，存在再生液处理问题。

我国的沸石资源丰富，而沸石又是一种新型环保友好型材料。因此，加强和深入对沸石在污水处理中的研究，在水环境保护中具有广阔的前景和深远的意义。