污泥基生物質炭在水處理中的應用

王靜松 劉杰 唐蕾(西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730124)

0 引言

污泥在城市污水處理中常出現，隨著我國的工業化的發展，導致大量的污泥日益增加[1]。污泥中包含著很多有毒物質，如重金屬、鹽類、有機污染物、病原菌等，長期暴露于環境中將會嚴重影響人類的健康破壞生態環境，因此對市政污泥進行有效處理是如今環境發展過程中亟待解決的問題之一。在污水處理中，吸附法成本低廉、操作簡便、去除污染物能力較強，生物質炭作為常見的優良吸附劑被廣泛用于水污染處理當中。通過市政污泥熱解制備得到的污泥基生物質炭具有發達的孔隙結構、較大的比表面積以及豐富的表面官能團，對于污廢水中抗生素、重金屬離子、有機污染物、染料等有著很好的去除效果。

1 污泥基生物質炭在水污染中的應用

1.1 吸附去除重金屬離子

重金屬污染是指由重金屬或其化合物的造成的環境污染，主要來源于工業污染、生活垃圾等方面，長時間存在于生態環境中，并隨生物鏈不斷累計最終將會嚴重危害人體健康。郭家俊[2]等用KOH 活化制備污泥基生物質炭，經過研究發現，活化劑的濃度選取15%時吸附效果最佳，當污泥質量與KOH 溶液比為1:1 時，吸附率達到99.87%。當活化劑的濃度選擇合理時，由于脫水作用使得污泥基生物質炭產生較多的孔隙，增加其吸附金屬的能力，而當活化劑過少或過多時，會因為空隙不夠和產生更大的孔隙導致吸附效果下降。KOH 浸漬時間為4h、炭化溫度為750℃、炭化時間為40min 為最佳制備條件。Duan[3]等利用含鐵污泥和棉花秸稈制備涂覆的棉稈生物質炭，用于去除Cr (VI)。經過分析表明該吸附劑的表面積達到129.2m2/g，孔隙體積為0.1711cm3/g，對Cr (VI)有著較強的吸附能力。并且利用磁鐵可以很容易從溶液中分離出鐵碳化合物從而達到回收再利用的效果，水處理廠產生的鐵渣可以直接回收制得吸附劑，為鐵資源利用提供一個較好的研究方向。Zhang[4]等研究借助鹽酸或氫氟酸預處理后可增強醋酸鉀的活化作用，兩種物質對于污泥基生物質炭的孔隙結構得到很好的改善，利用發達的孔隙結構對金屬鉛進行吸附，相比較于未經處理的生物質炭來說，吸附能力有著較強的提升。

1.2 吸附去除染料

隨著紡織業、皮革、食品行業的迅速發展，大量染料廢水排出，其中偶氮染料具有毒性、難降解等特點嚴重危害人體健康，造成環境污染。亞甲基藍作為一種常見的陽離子染料，具有芳香型結構。NaOH 活化制備的污泥基生物質炭對亞甲基藍最大吸附量為518mg/g[5]，潘子倩[6]等用乙醇和水以體積比1:1 制得的混合劑將污泥液化得到的污泥基生物質炭作為研究對象，該吸附劑平均孔徑大小為18.4nm，屬于中孔類型，對于吸附亞甲基藍具有很好的結構條件，并且研究發現液化污泥基生物質炭吸附亞甲基藍的機理包括π-π 吸附、物理吸附、靜電吸附和含氧官能團的參與等，同時具有良好的重復可利用性。張倩[7]將鐵負載至污泥基生物質炭上，制備出一種可以持久活化過硫酸鹽的非均相催化劑，用來降解酸性橙G。通過研究發現，負載鐵物質后，污泥基生物質炭有效提高了過硫酸鹽的活化效率，并確定了最佳鐵負載量為1mmol/g。吸附劑的投加量和過硫酸鹽的濃度與降解酸性橙的效率成正比關系，而pH 值對降解率影響不大。

1.3 吸附去除抗生素

Liu 和Zhou[8]等采用殼聚糖和Fe/S 對污泥基生物質炭進行改性，研究了改性前后的污泥基生物質炭的異同。對材料采用XRD、FTIR、BET、XPS、吸附-脫附曲線表征手段，對動力學、等溫線和熱力學進行討論，并將位點能量分布理論運用其中。研究發現，利用朗繆爾模型在2980K 的溫度下，BCFe/S-4 的最大吸附量達到183.01mg/g，相比較單純的生物質炭來說有著很好的吸附能力。溶液的pH 值對污泥基生物質炭有著一定的影響，pH 對污泥基生物質炭吸附四環素的影響主要在于pH 影響著污泥基生物質炭表面帶電的情況，而四環素也會由于溶液的pH 值的變化而轉化自身在溶液中的存在形式，從而產生不同的吸附情況。位點能量分布理論探究出了在較高的溫度下，污泥基生物質談的表面更加的均勻，而BCFe/S-4 恰恰相反。Nielsen和Bandosz[9]在650℃和950℃下，將污泥和魚糞的混合物進行熱解制備吸附劑，用于吸附磺胺甲惡唑(SMX)和甲氧芐氨嘧啶(TMP)，對其吸附劑進行TA-MS、XRD 和電位滴定法表征和表面分析，發現良好的表面化學特性是影響吸附性能的主要因素，其主要的吸附機理為螯合作用、酸堿作用和極性相互作用。

1.4 吸附去除氨氮、磷酸鹽和有機物

Zhang 和Wang[10]利用污水污泥和啤酒麥糟的混合物為原料，在400～700℃高溫熱解制得生物質炭，研究發現生物質炭的產量與啤酒麥糟的含量成正比，與溫度成反比。和其他生物質炭吸附氨氮相比，有著很好的吸附效果，吸附效率達到60%。Yang[11]等在研究中發現，FeCl3浸漬比Fe3+/Fe2+共沉淀法方法制得的污泥基生物質炭的吸附能力強，對磷酸鹽的吸附量達到111.0mg/g，對于低濃度的磷酸鹽來說具有很好的應用效果，在對活化污泥基生物質炭的5 次回收后，吸附劑依然保持較高的吸附能力，FeCl3改性的污泥基生物質炭是一種很有研究前景的除磷酸鹽的吸附劑。Devi 和Saroha[12]用造紙廠污泥熱分解制得的生物質炭去除多環芳烴，研究該吸附劑在200～700℃范圍內溫度對多環芳烴吸附行為的影響，發現炭化程度決定吸附行為，吸容量與吸附劑的芳香度和極性呈負相關關系，而與吸附劑的比表面積、孔隙體積、灰分含量呈正相關關系。

2 結語

污泥基生物質炭的原材料產生量巨大，取材方便，材料制備成本低，在高溫反應下其多孔結構和表面化學性質對廢水中諸多的污染物都具有良好的吸附作用。在高溫、缺氧或無氧的情況下可有效避免二噁英等有毒性的物質的產生，并且能夠滅殺大量病原微生物，固化重金屬，相比較焚燒、土地利用來說，大大減少對環境的危害。在重復利用性上，經過大量實驗證明多數污泥基生物質炭都具有很好的循環利用性，可操作性很強。污泥基生物質炭在未來的應用上將更加注重發展多功能環境材料，以滿足適應各種水污染情況。