明矾污泥去除水环境中污染物的研究进展

景彩虹

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

多年来，铝盐一直被用作混凝剂使用，混凝和絮凝是世界各地水厂用于水净化的基本预处理方法，而明矾污泥是净水厂使用铝盐在混凝和絮凝过程产生的主要副产物，也是全球水工业产生的最广泛的副产品。但是，让人惊讶的是全球范围内的明矾污泥生产和处置数据的信息很少，即使是最近的文献中，污泥生产的统计数据、成本和其他相关信息也普遍有限。长期以来，与铝污泥相关的关键问题是其成本效益和高效处理，因为其污泥量大，环境缺陷，最终影响到世界各地的城市和区域水务设施。在我国，大部分污泥被视为废物，被用下水道或垃圾填埋场处理，带来相关的财政和环境成本。因此，如何合理利用明矾污泥，实现明矾污泥变废为宝，已引起众多学者的关注。本文对明矾污泥在去除废水中重金属、磷、其他污染物等，以及吸附剂的材料合成方面的研究现状进行了综合阐述，并对明矾污泥作为吸附材料对环境污染物吸附去除的未来研究趋势进行展望。

1 明矾污泥的结构与性质

在水净化中使用的铝盐在技术上是硫酸铝，一般组成为MAl(SO4)2·12H2O硫酸铝，其中M是铵或钾离子[1]。在饮用水净化过程中将明矾盐添加到原始浑浊水源中，铝离子水解成氢氧化铝，氢氧化铝是沉淀物。在饮用水处理过程中，絮凝-澄清过程后，原水中的氢氧化铝沉淀可被有机物等水不溶性杂质吸收。铝污泥主要为凝胶性非晶形结构，由有机和悬浮物、无机物质、各种微生物菌团、凝血产物和化学物质组成[2]。

2 明矾污泥应用研究现状

2.1 对水中重金属的吸附研究

明矾污泥被认为是污水处理厂去除污染物的主要吸附剂之一，其可以通过增强吸附和化学沉淀法去除废水中广泛的重金属[3]；羟基铝的无定形性质及其高表面积是导致金属吸附能力提高的主要参数。明矾污泥的吸附特性可用于去除重金属污染物，如汞、铅、砷、铬和铜。明矾污泥作为重金属吸附剂的研究存在大量文献，如，Hovsepyan等[4]研究表明，明矾污泥能有效吸附和固定水溶液中的汞，最大吸附量为79mg·g-1，汞解吸率小于1.5%，有效pH范围在3～8的明矾污泥表现出吸附废水中过量汞的潜在能力；Chu等[5]发现，明矾污泥量为100～180mg·L-1，成功将铅去效率从79%提高到96%～98%，使新鲜明矾盐从175mg·L-1降低到50.0～12.5mg·L-1。明矾污泥作为一种独特的混凝剂，在混凝过程中加入75～100mg·L-1，铅的去除率高达94%；Sarkar等[6]添加明矾污泥作为土壤改良剂，在30min内砷的吸收率提高了98%，添加率大于1.25%的明矾污泥降低了砷的植物有效性。Makris等[7]将明矾污泥与鸡粪堆肥混合施用到土壤中作为土壤改良剂，有效地降低了砷向地下水源的迁移；雷增江等[8]吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准一级、准二级动力学方程，其主要吸附机理包括质子化基团对Cr(Ⅵ)的静电吸附及还原作用，5次吸附-解吸实验后，其吸附量保持初次吸附量的89.71%；刘珊等[9]海藻酸钠改性铝污泥功能球在Cu(II)的吸附过程中最佳pH为5.5，吸附平衡时间为24h，吸附过程为自发、吸热、熵增的过程，吸附等温线拟合结果表明，功能球对Cu(II)的吸附行为更符合Langmuir模型，表明该吸附过程为单层吸附，动力学模型研究表明，该吸附过程与拟二级动力学模型更符合，故功能球对Cu(II)的吸附过程主要由化学吸附控制。

2.2 对水中磷的吸附研究

几项广泛研究[10,11]进行了利用明矾污泥作为废水中除磷吸附剂的可能性的研究。明矾污泥中大量的无定形铝离子对废水中的除磷非常重要，因为这些离子已经被证明可以增强吸附和化学沉淀过程，有助于磷的固定。此外，明矾污泥通常含有大量不溶性氢氧化铝，有利于化学混凝/絮凝。明矾污泥的混凝特性可用于去除废水处理过程中的污染物，Yang等[12]发现，磷溶液的pH值对磷的吸附量有很大的影响，在酸性区域吸附增强。在明矾污泥吸附磷的过程中，SO42-和Cl-(废水中典型的阴离子)对明矾污泥表面磷吸附的竞争影响不显著，也提出磷在矾泥上的吸附是通过一种球内络合反应进行的，即磷酸盐取代矾泥表面的官能团并与表面结合。因此，磷酸盐通过沉淀过程与铝离子的吸附被描述的方程见公式(1)，并且主要的吸附机制是配体交换。

(≡Al)2HPO4+H2O+OH-

(1)

大量的文献证明，明矾污泥对磷的吸附能力中pH起着决定性作用。然而，关于溶液pH值、表面电荷和污泥特性、磷的形态、明矾污泥剂量和其他工艺变量的影响，对明矾污泥对磷的吸附的大量研究应作为指导去调查和了解，进一步扩展其利用率。Mortula等[13]研究认为，烘干明矾污泥对于中小城市来说是一种低成本且可靠的除磷技术方案；Yang等[12]提出废水中0.14～3.20mg·L-1到597～675mg·L-1范围内的磷可通过施用矾泥轻松去除。胡静等[14]研究了脱水铝污泥对水中磷的等温吸附特征和动力学过程，考察了3个因素对脱水铝污泥吸附磷的影响。结果表明，脱水铝污泥的等温吸附特征符合Langmuir和Freundlich方程，其中Langmuir方程描述更为准确，其最大饱和吸附量为11.1mg·g-1。王天晓[15]等认为，Langmuir和Freundlich方程均能较好地描述给水处理厂废弃铁铝泥对磷的等温吸附过程，且当pH从5增至9时，磷的饱和吸附量从41.68mg·g-1减小到17.08mg·g-1。pH越低，磷与废弃铁铝泥的结合能力越强。Yang等[16]研究指出，明矾污泥适合用作从废水中去除磷酸盐的吸附剂。

2.3 对水中其他污染物的研究

明矾污泥也被用于去除其他污染物，如氟化物[17]、高氯酸盐[18]和纺织染料[19]去除。

2.3.1 氟化物吸附剂

含氟/氟化物的危险废物来源于在生产过程中使用氟或其类似化合物作为原料的工业。Sujana等[17]研究表明，明矾污泥由于其不均匀的表面积和不同的金属氧化物，显示出较高的氟化物吸收能力，最佳pH值为6时，氟离子从水溶液中完全去除，氟吸附速率在最初的5min内很快，在4h内达到平衡。

2.3.2 高氯酸盐吸附剂

2.3.3 纺织染料吸附剂

在废水组成和排放量方面，纺织工业被认为是污染最严重的部门之一。纺织染料已逐渐成为造成严重环境危害的人为有机物质。Chu[19]提出，明矾污泥可用于去除纺织废水中的疏水染料，去除效率为88%。不推荐使用铝污泥去除亲水染料，因为亲水染料的高溶解度特性会在回收过程中去除水质。

3 总结

综上所述，以明矾污泥为原料制备的吸附材料具有原材料来源广、价格低廉、环保、减轻废弃物处理负担等优点，在对去除水环境的污染物处理中有着很大的应用和发展前景，在国家倡导创建资源节约型的社会时代背景下，明矾污泥的再利用能够同时实现环境效益、经济效益、社会效益，对实现资源的可回收利用、变废为宝具有重要的研究和应用价值。