混合污泥制备吸附剂回用于污水处理研究

潘志辉，梁 恒，田家宇，陈忠林，李圭白

(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090，ri13@163.com)

化学强化一级处理(CEPT)是近年来国内外城市污水处理研究热点［1］，其通过投加少量的混凝剂，可显著去除城镇污水中各种有毒有害污染物，如SS、重金属、磷等的去除率可达85%～90%以上，难降解有机物的去除率达到80%以上. CEPT可以作为以二级生物处理为主的城市污水处理厂的前处理［2］，去除难于生物降解的有机污染物、无机盐、重金属，同时减轻二级处理的负荷，降低处理厂运行费用.而这样的污水处理厂最后产生出一种包含化学污泥与生物污泥的混合污泥.

污泥本质上是含碳的有机物［3］，可以作为制造活性炭吸附剂的原材料［4］，用来吸附各种有机污染物［5］、重金属［6］，酸性污染气体［7］.而混合污泥制成吸附剂的研究在国内外仍未见报道.

本文以混合污泥为原材料，利用强酸制备吸附剂并回用于化学强化一级污水处理中，一方面降低化学混凝剂的投加量，另一方面实现污泥资源化.

1 实验

1.1 污泥材料

化学污泥与生物污泥的混合污泥(以下简称混合污泥)取自哈尔滨文昌污水厂.采用化学强化一级处理(投加聚合氯化铝铁作为混凝剂)与传统的二级生物处理的混合工艺处理污水.

1.2 活化方法

混合污泥在103℃下干燥到水分少于5% (质量分数)，将其研磨(粒径d＜0.1 mm)后以质量比1∶3加入到浓硫酸(18.0 mol/L)中，室温静止放置24 h后在103℃下再干燥24 h.然后污泥在550℃下活化1 h，产物研磨(粒径d＜0.1 mm)后用3 mol/L HCl和去离子水漂洗，再在103℃下干烘24 h.

1.3 分析方法

采用HITACHI S4800 HSD扫描电子显微镜、ASAP 2020M比表面积分析仪、Optima 5300DU ICP-AES法、CHNS-Vario EL型元素分析仪测定混合污泥吸附剂的各种性质.

1.4 在污水处理中的应用

污水(pH:7.2，COD:213.4 mg/L，UV254: 0.199 cm-1)取自哈尔滨太平污水厂.污水实验在程序式六联搅拌器(深圳)中进行.向6个搅拌杯中分别注入1.0 L污水，分别投入0.05～1.50 g的混合污泥吸附剂，300 r/min快速搅拌60 s，80 r/min慢速搅拌15 min，沉淀20 min，取上清液，检测UV254(分光光度法)和COD(重铬酸钾法).

进行了不同投加量(0～30 mg/L)的聚合氯化铝铁(polymeric ferric aluminous chloride，PFAC)与0.3 g/L混合污泥吸附剂联用处理污水的实验.按上述实验方法在六联搅拌器中进行，最后取上清液检测UV254和COD.

选用一种商品活性炭(江苏，平均粒径0.1 mm)作为对照物，与由混合污泥制备出来的吸附剂作比较.

2 结果与分析

2.1 吸附剂性质表征

2.1.1 吸附剂表面物理形态

通过扫描电子显微镜可以观察到混合污泥吸附剂的表面物理形态(见图1).由图1可知，对比混合污泥，活化后的混合污泥吸附剂的表面形态己经起了很大变化.混合污泥表面光滑密实，没有明显孔洞，而吸附剂的孔结构清晰可见，表面粗糙度也相应增大.而商品活性炭则显示出表面孔隙为微孔.

图1 混合污泥及其吸附剂的扫描电镜分析

2.1.2 比表面积与孔结构

表1列出混合污泥吸附剂的比表面积、孔容容积及平均孔径，并与商品活性炭作对比.可以看出，由于浓硫酸的扩孔作用，混合污泥吸附剂在活化过程中主要形成中孔与大孔结构，而商品活性炭主要是微孔结构，因此吸附剂的比表面积较小.

表1 吸附剂与活性炭比表面积和孔结构参数

2.1.3 元素分析

混合污泥吸附剂经过消解后，利用ICP-AES检测其Fe，Al金属元素含量;0.1 g吸附剂投加于1.0 L去离子水中混合30 min，检测其在水中Fe，Al渗出量.对吸附剂与商品活性炭的金属含量与水中渗出量分析结果见表2.由表2可看出，由于制备吸附剂的原材料污泥中含有化学污泥，而化学污泥内含大量的混凝剂PFAC，所以吸附剂本身Fe，Al含量较高，在水中也解析出一部分Fe，Al离子.

对混合污泥吸附剂进行元素分析，并与商品活性炭作比较，结果见表3.从表3中可以看出，吸附剂含碳量较低，而商品活性炭的含碳量达到71%.混合污泥吸附剂的其他元素含量都较商品活性炭多.硫元素的含量较多可能是由于活化剂是H2SO4，S已经在吸附剂里形成稳定的化合物［8］.

表2 混合污泥吸附剂铁、铝含量及其在水溶液中铁、铝渗出量 mg·g-1

表3 元素分析 %

2.2 吸附剂对污水中有机物的吸附性能

投加一定量的吸附剂于污水中，其对UV254和COD的去除情况如图2所示.从图2可以看出UV254与COD去除率都随着投加量的增大而增大.

当投加量为1.5 g/L时，对于UV254，活性炭的去除率可达90%，而混合污泥吸附剂的去除效果不如活性炭，只有50%.这可能由于活性炭对UV-活性物质有选择吸附特性，例如芬芳族有机物［9］或者不饱和双键有机物［10］.

而对于COD，情况刚好相反，混合污泥吸附剂能达到70%，而活性炭对COD的去除率最高只有55%.这可能由于吸附剂孔径分布较宽，为大中孔结构，容易吸附大分子有机物，而活性炭为微孔结构，阻碍大分子或者颗粒状、胶体状有机物的吸附［11］.另外，一方面混合污泥吸附剂在污水中能析出一部分Fe、Al金属离子，与混凝剂发生作用，能通过絮凝作用去除颗粒状和胶体状的COD［12］，而另一方面，吸附剂本身含有大量的铁、铝氧化物，可通过水解生成表面氢氧化物，并与水中阴阳离子发生作用，如下式［13］:

因此，含有铁、铝的混合污泥吸附剂能很好吸附水中的阴、阳离子，使有机污染物能很好地去除.

2.3 吸附剂对强化一级污水处理的提升效果

由上述研究可知，吸附剂对污水有机物污染物有较高的去除率.因此，进一步研究该一级污泥和生物污泥的混合污泥制备的吸附剂回用于污水化学强化一级处理的效果，考察其对化学强化一级处理的提升作用.

投加0.3 g/L的混合污泥吸附剂，改变PFAC的投加量，两者联用处理城市污水，取上清液检测得UV254和COD去除效果见图3.从图3可以看出，随着PFAC的投加量增大，UV254和COD的去除率也随着加大.还可以看出，混凝剂PFAC与污泥吸附剂的联用比只单独用混凝剂有更好的效果，即投加吸附剂后可以增加有机污染物的去除率.如只单独用30 mg/L的PFAC，对UV254和COD的去除率分别是25.1%和66.3%，而0.3 g/L的污泥吸附剂投入到15 mg/L的PFAC混凝系统后，UV254和COD的去除率分别是26.1%和61.6%，显示出相近的去除效果，但PFAC的投加量减少50%.说明在化学强化一级处理中，投加少量的吸附剂与混凝剂联用，一方面实现污泥资源化，另一方面大大减少混凝剂的投加量，提升了化学强化一级处理效果.

图3 不同投加量PFAC与0.3 g/L混合污泥吸附剂联用对污水UV254和COD的去除效果

3 结论

1)利用以化学强化一级处理与生物二级处理工艺的城市污水厂的化学生物混合污泥，可以制备吸附性能较好的吸附剂.最佳制备条件为质量比1∶3，浸渍于18.0 mol/L的浓硫酸中，在550℃高温热解1 h.

2)由于浓硫酸的扩孔作用，污泥吸附剂以中、大孔径为主，孔径分布比较宽.吸附剂含有大量的铁、铝，在水溶液中能水解生成氢氧化物吸引阴阳离子，使有机物污染物得以去除.

3)污水处理中，虽然吸附剂对UV254的去除效果不如商品活性炭，但对COD的去除效果优于商品活性炭.吸附剂与混凝剂联用于化学强化一级处理，一方面大大减少混凝剂的投加量，另一方面使污泥资源化回用于污水处理中.

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