污泥基生物质炭在水处理中的应用

王静松 刘杰 唐蕾(西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730124)

0 引言

污泥在城市污水处理中常出现，随着我国的工业化的发展，导致大量的污泥日益增加[1]。污泥中包含着很多有毒物质，如重金属、盐类、有机污染物、病原菌等，长期暴露于环境中将会严重影响人类的健康破坏生态环境，因此对市政污泥进行有效处理是如今环境发展过程中亟待解决的问题之一。在污水处理中，吸附法成本低廉、操作简便、去除污染物能力较强，生物质炭作为常见的优良吸附剂被广泛用于水污染处理当中。通过市政污泥热解制备得到的污泥基生物质炭具有发达的孔隙结构、较大的比表面积以及丰富的表面官能团，对于污废水中抗生素、重金属离子、有机污染物、染料等有着很好的去除效果。

1 污泥基生物质炭在水污染中的应用

1.1 吸附去除重金属离子

重金属污染是指由重金属或其化合物的造成的环境污染，主要来源于工业污染、生活垃圾等方面，长时间存在于生态环境中，并随生物链不断累计最终将会严重危害人体健康。郭家俊[2]等用KOH 活化制备污泥基生物质炭，经过研究发现，活化剂的浓度选取15%时吸附效果最佳，当污泥质量与KOH 溶液比为1:1 时，吸附率达到99.87%。当活化剂的浓度选择合理时，由于脱水作用使得污泥基生物质炭产生较多的孔隙，增加其吸附金属的能力，而当活化剂过少或过多时，会因为空隙不够和产生更大的孔隙导致吸附效果下降。KOH 浸渍时间为4h、炭化温度为750℃、炭化时间为40min 为最佳制备条件。Duan[3]等利用含铁污泥和棉花秸秆制备涂覆的棉秆生物质炭，用于去除Cr (VI)。经过分析表明该吸附剂的表面积达到129.2m2/g，孔隙体积为0.1711cm3/g，对Cr (VI)有着较强的吸附能力。并且利用磁铁可以很容易从溶液中分离出铁碳化合物从而达到回收再利用的效果，水处理厂产生的铁渣可以直接回收制得吸附剂，为铁资源利用提供一个较好的研究方向。Zhang[4]等研究借助盐酸或氢氟酸预处理后可增强醋酸钾的活化作用，两种物质对于污泥基生物质炭的孔隙结构得到很好的改善，利用发达的孔隙结构对金属铅进行吸附，相比较于未经处理的生物质炭来说，吸附能力有着较强的提升。

1.2 吸附去除染料

随着纺织业、皮革、食品行业的迅速发展，大量染料废水排出，其中偶氮染料具有毒性、难降解等特点严重危害人体健康，造成环境污染。亚甲基蓝作为一种常见的阳离子染料，具有芳香型结构。NaOH 活化制备的污泥基生物质炭对亚甲基蓝最大吸附量为518mg/g[5]，潘子倩[6]等用乙醇和水以体积比1:1 制得的混合剂将污泥液化得到的污泥基生物质炭作为研究对象，该吸附剂平均孔径大小为18.4nm，属于中孔类型，对于吸附亚甲基蓝具有很好的结构条件，并且研究发现液化污泥基生物质炭吸附亚甲基蓝的机理包括π-π 吸附、物理吸附、静电吸附和含氧官能团的参与等，同时具有良好的重复可利用性。张倩[7]将铁负载至污泥基生物质炭上，制备出一种可以持久活化过硫酸盐的非均相催化剂，用来降解酸性橙G。通过研究发现，负载铁物质后，污泥基生物质炭有效提高了过硫酸盐的活化效率，并确定了最佳铁负载量为1mmol/g。吸附剂的投加量和过硫酸盐的浓度与降解酸性橙的效率成正比关系，而pH 值对降解率影响不大。

1.3 吸附去除抗生素

Liu 和Zhou[8]等采用壳聚糖和Fe/S 对污泥基生物质炭进行改性，研究了改性前后的污泥基生物质炭的异同。对材料采用XRD、FTIR、BET、XPS、吸附-脱附曲线表征手段，对动力学、等温线和热力学进行讨论，并将位点能量分布理论运用其中。研究发现，利用朗缪尔模型在2980K 的温度下，BCFe/S-4 的最大吸附量达到183.01mg/g，相比较单纯的生物质炭来说有着很好的吸附能力。溶液的pH 值对污泥基生物质炭有着一定的影响，pH 对污泥基生物质炭吸附四环素的影响主要在于pH 影响着污泥基生物质炭表面带电的情况，而四环素也会由于溶液的pH 值的变化而转化自身在溶液中的存在形式，从而产生不同的吸附情况。位点能量分布理论探究出了在较高的温度下，污泥基生物质谈的表面更加的均匀，而BCFe/S-4 恰恰相反。Nielsen和Bandosz[9]在650℃和950℃下，将污泥和鱼粪的混合物进行热解制备吸附剂，用于吸附磺胺甲恶唑(SMX)和甲氧苄氨嘧啶(TMP)，对其吸附剂进行TA-MS、XRD 和电位滴定法表征和表面分析，发现良好的表面化学特性是影响吸附性能的主要因素，其主要的吸附机理为螯合作用、酸碱作用和极性相互作用。

1.4 吸附去除氨氮、磷酸盐和有机物

Zhang 和Wang[10]利用污水污泥和啤酒麦糟的混合物为原料，在400～700℃高温热解制得生物质炭，研究发现生物质炭的产量与啤酒麦糟的含量成正比，与温度成反比。和其他生物质炭吸附氨氮相比，有着很好的吸附效果，吸附效率达到60%。Yang[11]等在研究中发现，FeCl3浸渍比Fe3+/Fe2+共沉淀法方法制得的污泥基生物质炭的吸附能力强，对磷酸盐的吸附量达到111.0mg/g，对于低浓度的磷酸盐来说具有很好的应用效果，在对活化污泥基生物质炭的5 次回收后，吸附剂依然保持较高的吸附能力，FeCl3改性的污泥基生物质炭是一种很有研究前景的除磷酸盐的吸附剂。Devi 和Saroha[12]用造纸厂污泥热分解制得的生物质炭去除多环芳烃，研究该吸附剂在200～700℃范围内温度对多环芳烃吸附行为的影响，发现炭化程度决定吸附行为，吸容量与吸附剂的芳香度和极性呈负相关关系，而与吸附剂的比表面积、孔隙体积、灰分含量呈正相关关系。

2 结语

污泥基生物质炭的原材料产生量巨大，取材方便，材料制备成本低，在高温反应下其多孔结构和表面化学性质对废水中诸多的污染物都具有良好的吸附作用。在高温、缺氧或无氧的情况下可有效避免二噁英等有毒性的物质的产生，并且能够灭杀大量病原微生物，固化重金属，相比较焚烧、土地利用来说，大大减少对环境的危害。在重复利用性上，经过大量实验证明多数污泥基生物质炭都具有很好的循环利用性，可操作性很强。污泥基生物质炭在未来的应用上将更加注重发展多功能环境材料，以满足适应各种水污染情况。