剩余污泥与高炉矿渣等混合制备吸附剂制备条件探究

滕峰 李凡 陆文灵

收稿日期：2023-07-24

作者简介：滕峰，男，本科，工程师，主要从事固体废物污染防治工作。

通信作者：陆文灵，男，本科，工程师，主要从事生态环境监测工作。

摘 要：在氯化锌活化和高温碳化条件下，以活性污泥法处理生活污水产生的剩余污泥为主要原料，炼铁高炉矿渣、甘蔗渣、炼铁熟料和粉煤灰为辅料，按照53%∶20%∶13%∶7%∶7%的质量配比制取吸附剂，通过改变浸渍比、碳化温度探究最佳制备条件。结果表明：在浸渍比为1∶1.5、碳化温度850℃条件下，所制备的吸附剂对重金属镉吸附效果较好，吸附效率达89.87％。

关键词：剩余污泥；吸附剂；浸渍比；碳化温度；吸附效率

中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）03-00-03

0 引言

随着我国城镇化率不断提升，城市人口不断增长，活性污泥法处理生活污水产生的剩余污泥量不断增大，采用传统的填埋、焚烧等方式处置会诱发土壤污染、恶臭扰民、占用土地等诸多问题，已不能满足当前环境保护的需要[1]。为有效解决生活污水处理产生的剩余污泥末端处置瓶颈，基于其具有含碳物质和类凝胶结构特征[2]，从环境保护角度出发，探究剩余污泥的吸附剂制备活化、碳化温度条件，对剩余污泥资源化利用具有重要意义。

1 研究内容与技术路线

剩余污泥类凝胶结构是指污水中悬浮无机颗粒、微生物分泌的有机物质通过不同方式胶结凝聚在一起，形成形状各异、结构疏松、表面分布绒毛状分支的网状结构絮状体，其富含大量多糖等有机物质，表面官能团能与重金属离子进行离子交换[2]，具有较好的重金属吸附剂制备基础。在类凝胶结构的剩余污泥中添加甘蔗渣提高含碳量，添加炼铁高炉矿渣、炼铁熟料、粉煤灰等提升稳定性和吸附强度[3-5]，再经氯化锌活化剂活化和高温碳化增加孔隙度，即可制备出具有吸附重金属能力的吸附剂。在吸附剂制备过程中，固定活化剂种类和碳化时间，采用单因素实验法探究不同浸渍比、碳化温度与吸附剂吸附重金属能力的关系，可以确定吸附剂制备最佳浸渍比和碳化温度条件，为剩余污泥制备吸附剂规模化生产提供参考依据。

2 实验材料与方法

2.1 实验设备

本次实验所用仪器设备分别为恒温鼓风干燥机、土壤研磨与筛分机、智能马弗炉、调速多功能振荡器、台式低速离心机及原子吸收光谱仪，设备具体型号与厂家见表1。

表1 实验设备信息表

序号 设备名称 型号 数量 生产厂家

1 电热恒温鼓风干燥机 5E-DHG 1 长沙开元仪器股份有限公司

2 土壤研磨与筛分机 YKT-04 1 长沙永乐康仪器设备有限公司

3 智能马弗炉 5E-MF6100 1 长沙开元仪器股份有限公司

4 调速多用振荡器 HY-2 1 常州国华电子有限公司

5 台式低速离心机 L500-A 1 长沙高新计生户产业开发区湘仪离心机仪器有限公司

6 原子吸收光谱仪 900Z 1 铂金埃默尔仪器（上海）有限公司

2.2 实验材料

本次实验主要原料为活性污泥法处理生活污水产生的剩余污泥，辅料为炼铁高炉矿渣、甘蔗渣、炼铁熟料及粉煤灰，活化剂为氯化锌（分析纯），各实验材料来源见表2。

表2 实验材料信息表

序号 名称 来源

1 剩余污泥 文山市生活污水处理厂

2 炼铁高炉矿渣 砚山县阿舍冶炼厂

3 甘蔗渣 文山市本地甘蔗渣

4 炼铁熟料 砚山县阿舍冶炼厂

5 粉煤灰 河南恒源新材料有限公司

6 氯化锌 天津市风船化学试剂科技有限公司

2.3 操作设计

有实验研究表明，在一定范围内增加活化剂浸渍比值可提高吸附剂的孔隙结构，当比值<1时可制得微孔吸附剂，比值>1.5时可制得介孔吸附剂，比值由0.75增加到2.5时吸附剂的介孔数量可提高60%，比值达到3.5时可制得含有80%介孔分布的吸附剂[6]。刘涛等人研究吸附剂制备活化剂浸渍比宜控制在1∶1～1∶4范围[7]，故本次实验将浸渍比分别设定为1∶1.5、1∶2.5、1∶3.5，后期通过改变制备过程的碳化温度，在不同条件下制备的吸附剂对重金属镉吸附效率，确定最优活化浸渍比和碳化温度。

3 实验结果

化学活化法制备吸附剂原理主要是制取活性炭以实现吸附效能，众多研究表明活性炭吸附能力和孔径分布受很多因素影响。本文主要通过改变氯化锌与样品配比（即浸渍比）在550℃、650℃、750℃及850℃碳化温度条件下制取吸附剂，并以重金属镉为检测指标，探讨不同浸渍比、碳化温度对吸附性能的影响。通过实验得出不同浸渍比和碳化温度条件下的吸附效能数据，详见表4。

浸渍比即样品与化学活化剂（如氯化锌）的质量比，是化学活化法（包括氯化锌活化法）制备吸附剂工艺过程中最重要的影响因素之一。谭作进等人研究，通过使用活化剂制备的吸附剂较不使用活化剂制备的吸附剂产率高6.27％，使用活化剂主要是利用腐蚀性增加样品的孔隙度[8]。本实验研究结果表明不同浸渍比制取的吸附剂对重金属镉的吸附能力有所不同，详见图1。

由图1可知：①在同一碳化温度条件下，随着浸渍比不断增大吸附剂对重金属镉的吸附能力随之减小。②浸渍比为1∶1.5时制取的吸附剂吸附效能要优于浸渍比为1∶2.5、1∶3.5条件制取的吸附剂。

3.2 碳化温度分析

碳化温度是指将目标物质加热至其分解为碳的最低温度，研究表明增加碳化温度可使制备吸附剂的比表面积增大、孔隙增多，可有效提升吸附效能[9]。本实验研究结果表明不同碳化温度制取的吸附剂对重金属镉的吸附能力不同，详见图1。

由图1可知：①在同一浸渍比条件下，随着碳化温度的升高吸附剂对重金属镉的吸附能力随之增大。②碳化温度为850℃时制取的吸附剂吸附效能要优于碳化温度为550℃、650℃、750℃条件下制取的吸附剂。

4 结论

（1）在使用2 mol/L氯化锌为活化剂和碳化时间50 min条件下，通过单因素实验得到剩余污泥与炼铁高炉矿渣、甘蔗渣、炼铁熟料、粉煤灰制取的重金属镉吸附剂较佳参数，即浸渍比为1∶1.5、碳化温度为850℃时吸附效率可达89.87%。

（2）在同一碳化温度条件下以浸渍比1∶1.5为基准，随着浸渍比提高吸附剂对重金属镉吸附效能呈现降低趋势。

（3）在同一浸渍比条件下以碳化温度550℃为基准，随着碳化温度升高吸附剂对重金属镉吸附效能随之增大。

5 讨论

（1）本实验设定的浸渍比及碳化温度的条件得出的实验结果尚未出现峰值拐点，仍存在一定的不确定性，可进一步优化实验参数的设计，确定最佳活化浸渍比及碳化温度。

（2）本实验因实验条件有限，所制备的吸附剂只对重金属镉吸附效能进行测试，吸附效能研究相对单一，后期可进一步拓展至砷、铅、汞和铬等有毒有害的重金属，为吸附剂产业化生产提供更优科学依据，对重金属污染减排和生态环境保护具有重大意义。

参考文献：

[1] 梁向东，李飞飞.污水处理厂污泥资源化利用的研究[J].科技情报开发与经济，2010，20（33）：143-147.

[2] 闫幸幸.剩余污泥结构组分表征与污泥脱水性能响应机制研究[D].西安：西安理工大学，2021.

[3] 何俊，王小琦，石小康，等.碱渣-矿渣固化淤泥的无侧限抗压强度与微观特征[J].应用基础与工程教育学报，2021，29（2）：376-386.

[4] 张发文，董明坤，陈辰慧，等.矿渣基改性剂对城市污泥重金属稳定化[J].环境科学，2021（7）：1-14.

[5] 何哲祥，张亚星，李雷.基于高炉矿渣的重金属废水净化材料的研制[J].有色金属科学与工程，2019，10（2）：47-51.

[6] 范世锁，汤婕，程燕，等.污泥基生物炭中重金属的形态分布及潜在生态风险研究[J].生态环境报，2015，24（10）：1739-1744.

[7] 刘涛，魏先勋，翟云波，等.剩余污泥的资源化利用[J].资源节约与环保，2006，22（3）：37-40.

[8] 谭作进.污泥制备生物质活性炭及其镉吸附性能的研究[J].中国资源综合利用，2020，38（12）：15-17.

[9] 姬江浩，胥思勤.污泥生物炭制备及应用研究进展[J].可持续发展，2021（5）：41-46.

Research on the Preparation Conditions of the Sorbent Using Mixed Sludge and Blast Furnace Slag

TENG Feng1， LI Fan2， LU Wen-ling3

（1.Wenshan Solid Waste Pollution Prevent， Wenshan Yunnan 663000， China）

Abstract： The sludge from activated sludge treatment of domestic sewage was the main material mixed with blast furnace slag and bagasse and ironmaking clinker and fly ash as accessory ingredients based on the quantity ratio of 53%∶20%∶13%∶7%∶7% to prepare sorbent under the condition of zinc chloride activation and high temperature carbonization. The tests were conducted by changing impregnation ratio， carbonization temperature to explore the optimal preparation condition . The results showed that the prepared sorbent had good absorption efficiency as 89.87% on cadmium metal under the condition of impregnation ratio as 1∶1.5 with the carbonization temperature as 850 centigrade.

Key words： sludge; sorbent; impregnation ratio; carbonization temperature; absorption efficiency