秸稈/污泥制備活性炭及處理生活污水效果

黃周滿++牛雯婧

摘要：以污水廠剩余污泥、小麥秸稈、花生殼和玉米芯等多種農業廢棄物混合物為原料，采取化學活化法制取活性炭，利用制備的活性炭對生活污水進行吸附試驗，并與商品活性炭的吸附效果進行比較。結果表明，活性炭對生活污水中氨氮的去除效果均較差；在對磷酸鹽和化學需氧量（COD）的去除中，添加秸稈基污泥活性炭明顯比商品活性炭效果更好，其中以污泥和花生殼混合基活性炭的處理效果最佳，磷酸鹽和COD的去除率分別可以達到74.16%、8800%；在對銅的處理中，只有商品活性炭有效，而秸稈/污泥活性炭基本沒有吸附效果。

關鍵詞：活性炭；剩余污泥；秸稈；花生殼；生活污水

中圖分類號： X703文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0435-02

活性炭在廢水處理領域有很廣泛的使用，但其商品炭價格較高，尋找廉價吸附劑來取代活性炭用于污水凈化已成為新的熱點。同時污泥無害化遲滯目標已轉向資源和能源化利用，農作物秸稈谷料垃圾處理除少部分發酵后被用作飼料外，絕大部分被白白燒掉，造成了資源的極大浪費和環境的嚴重污染，由此衍生了秸稈/污泥制備活性炭。加入農作物秸稈能有效提高污泥制備活性炭的比表面積和含碳量，而且根據吸附等溫線結果可以看出，摻入農業廢棄物的復合基活性炭吸附性能明顯提高[1]。

炭化是一種在隔絕空氣條件下對原材料直接進行加熱的制備活性炭的方法，原材料經過炭化之后產生的微晶體大小主要與原材料的成分、結構和炭化溫度這3個因素有關[2]。近年來，如何有效提高城市污泥活性炭的比表面積和含碳量[3]是討論的熱點問題。通過添加化學藥劑使城市污泥產生反應，可使原料中的氫、氧等元素以H2O、CH4等小分子的形式逸出，并且可以在一定程度上抑制副產物焦油的形成，提高活性炭吸附劑的產率。酸類活化劑的原理大多是與含氧官能團進行相互反應，而堿類活化劑則是直接與碳原子之間進行相互反應[4-5]。目前系統比較不同添加基制備的污泥活性炭對其吸附性能的影響研究鮮有報道。本研究討論摻入不同的農業廢棄物制備的秸稈/污泥活性炭在生活污水中的應用。

1材料與方法

1.1試驗材料及基本特性

試驗所用污泥取自武漢市湯遜湖污水處理廠脫水車間；小麥秸稈和花生殼采購自淘寶網；玉米芯[6]采購自商店，剝去玉米粒后可得。對污泥進行基本特性分析，得知污泥中含水率78.64%、灰分13.92%、揮發分86.08%、銅含量109.51 mg/L、pH值 6.8。

試驗儀器主要為多參數水質分析儀（GDYS201M）、COD測定儀（ET99718，德國羅威邦）、馬弗爐（SRJX-10-13）、多功能粉碎機（750T）、數顯鼓風干燥箱（GZX-9240 MBE）。

1.2秸稈/污泥活性炭的制備方法

以研究不同活性炭對生活污水的吸附能力為主要試驗目標，根據大量文獻查閱與前期初步研究，選取合適的制炭方法、活化劑種類、活化劑濃度、活化溫度、活化時間、固液比和原材料浸漬時間等條件，綜合考慮污泥性質、各農作物性質等相關因素。其工藝流程如圖1所示。

制備工藝條件最后定為：以氯化鋅作為活化劑，其質量分數為40%，活化溫度為550 ℃，活化時間為60 min，固液比為1 ∶3（質量比），浸漬時間為24 h，污泥與農業廢棄物比為 3 ∶1（質量比，添加2種農業廢棄物時，三者比例為6 ∶1 ∶1），秸稈和污泥均烘干過200目篩備用。

1.3吸附試驗

生活污水取自武昌理工學院污水處理廠，利用多參數水質分析儀現場分析污水的各項水質參數，生活污水基本特性為17.38 mg/L氨氮、14.83 mg/L磷酸鹽、75.00 mg/L 化學需氧量（COD）、132.00 mg/L總懸浮固體、0.39 mg/L 銅。我國GB 8978—1996《生活污水綜合排放標準》一級標準限值為：1.0 mg/L氨氮、0.5磷酸鹽、60.0 mg/L化學需氧量、20.0 mg/L 總懸浮固體、0.5 mg/L銅。本研究擬用污泥活性炭和農作物秸稈制炭對生活污水進行吸附試驗，從排放標準可知，一般最容易超標的就是氨氮和磷酸鹽，在6個指標中選取了4個為吸附試驗目標，分別為氨氮、磷酸鹽、化學需氧量和銅。由于本試驗主要探究投加量與不同組分活性炭吸附性能，即采用單因素試驗分析法將其余條件恒定（如溫度 25 ℃，pH值6～8），分別投加各類制品活性炭0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 g 于300 mL污水中，投加后于120 r/min振蕩40 min。

2結果與分析

試驗中各種活性炭處理為：1號，商品活性炭；2號，污泥活性炭；3號，污泥+小麥秸稈+玉米芯活性炭；4號，污泥+花生殼活性炭；5號，污泥+小麥秸稈活性炭；6號，污泥+小麥秸稈+花生殼活性炭。各吸附曲線如圖2至圖5所示。

2.1氨氮的吸附結果

受污染水體中一般含有游離氨（NH3）、銨離子（NH4+）。非離子氨是引起水生生物毒害及各種不良反應的主要因子。GB 8978—1996《生活污水綜合排放標準》一級標準氨氮的濃度≤1 mg/L，從圖2可知，所有活性炭對氨氮的去除情況均不理想，甚至有部分高出原水含量的誤差值。首先對氨氮的狀態進行分析，這很可能與氨氮在水中的水合氨狀態有關，吸附過程中可能存在以下的可逆反應：當NH3·H2O被活性炭吸

附后，即OH-濃度增加，促使反應逆向進行；但隨著OH-濃度的減少，又促使反應正向進行，直到反應平衡為止。在整個過程中吸附的NH3·H2O量非常少，所以活性炭對水中氨氮的去除情況很差[7]。其次研究孔徑，氨氮的去除一般在生化階段[8]，所以跟孔結構有關，秸稈污泥活性炭大多是中孔，而氨氮的分子量小，超濾納濾系統對氨氮基本沒有截留。最后考慮水質情況，此次原水中氨氮含量為17.38 mg/L，含量較低，即使吸附了少量也體現不出明顯效果。

2.2磷酸鹽的吸附結果

從圖3可以明顯看出，商品活性炭基本對磷酸鹽沒有去除效果，而混合基活性炭對磷酸鹽的吸附均使磷酸鹽含量呈直線下滑狀態，4號活性炭處理（污泥+花生殼活性炭）最佳，去除率達到74.16%。

2.3COD的吸附結果

從圖4可見，隨著活性炭的投加，COD整體均呈下滑趨勢，GB8978-1996《生活污水綜合排放標準》一級標準COD<60 mg/L，所有活性炭處理隨著投加量的增多均可達到標準，其中1號活性炭處理（商品活性炭）對COD的去除效果較差，3號活性炭處理（污泥+小麥秸稈+玉米芯活性炭）在投加量達到0.4 g時COD低于30 mg/L，當投加量達到0.7 g時出現最低值。總體上3號活性炭處理效果最佳。而若以成本為評價基準，則4號活性炭處理（污泥+花生殼活性炭）呈現均勻下滑，且在投加量達到0.4 g時COD低于 20 mg/L，投加量達到0.6 g時出現最低值，COD為 9 mg/L，效果最佳。

2.4銅的吸附結果

從圖5可知，1號商品活性炭對銅的吸收效果最好，隨著投加量達到0.5 g，出現最低值0.05 mg/L，對銅的去除率達到87%。摻入秸稈的污泥基活性炭對銅沒有明顯的吸附效果，甚至有的還出現比原水中銅含量還高的情況，可能與污泥中本身含有銅有關，原污泥中測出銅含量為109.51 mg/L。

3結論與討論

本研究結果表明：各活性炭對于氨氮的去除效果均很差，剩余氨氮含量普遍在300 mL污水中活性炭投加到0.3～0.4 g 左右出現較低值，所以氨氮處理不適合使用活性炭；對磷酸鹽的去除中，其余添加組分活性炭明顯比商品活性炭具有更好的效果，在投加量達到0.7 g左右達最低值，而其中又以污泥和花生殼混合制備的活性炭對生活污水中磷酸鹽的去除效果最佳，去除率達到74.16%；在對COD的去除中，所有活性炭對COD的去除均有較好的效果，其中多數混合基的活性炭比商品活性炭更加有效，且均隨著活性炭投加量的增大，

去除率升高，當投加量達到0.6 g左右時，去除率趨于穩定，其中以污泥和花生殼混合活性炭的效果最佳，去除率達到88%；在對銅的處理中，只有商品活性炭有效，在投加量達到0.5 g時出現最低值，去除率達到87%，投加其余秸稈基活性炭時，銅含量基本不隨投加量變化，甚至還有上升趨勢，這可能是污泥中含有的銅析出。綜上研究，添加秸稈基活性炭對生活污水中COD和磷酸鹽有較好的處理效果，其處理效果普遍高于商品活性炭，其中污泥和花生殼混合制備的活性炭處理生活污水的效果最佳，具體內部結構特征正在進一步研究，初步證實果殼類提高活性炭性能明顯。因此，利用剩余污泥和農業廢棄物混合制備活性炭具有很大的應用前景。

參考文獻：

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