潘志輝，梁 恒，田家宇，陳忠林，李圭白

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150090，ri13@163.com)

化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理(CEPT)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外城市污水處理研究熱點(diǎn)［1］，其通過(guò)投加少量的混凝劑，可顯著去除城鎮(zhèn)污水中各種有毒有害污染物，如SS、重金屬、磷等的去除率可達(dá)85%～90%以上，難降解有機(jī)物的去除率達(dá)到80%以上. CEPT可以作為以二級(jí)生物處理為主的城市污水處理廠的前處理［2］，去除難于生物降解的有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)鹽、重金屬，同時(shí)減輕二級(jí)處理的負(fù)荷，降低處理廠運(yùn)行費(fèi)用.而這樣的污水處理廠最后產(chǎn)生出一種包含化學(xué)污泥與生物污泥的混合污泥.

污泥本質(zhì)上是含碳的有機(jī)物［3］，可以作為制造活性炭吸附劑的原材料［4］，用來(lái)吸附各種有機(jī)污染物［5］、重金屬［6］，酸性污染氣體［7］.而混合污泥制成吸附劑的研究在國(guó)內(nèi)外仍未見報(bào)道.

本文以混合污泥為原材料，利用強(qiáng)酸制備吸附劑并回用于化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)污水處理中，一方面降低化學(xué)混凝劑的投加量，另一方面實(shí)現(xiàn)污泥資源化.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 污泥材料

化學(xué)污泥與生物污泥的混合污泥(以下簡(jiǎn)稱混合污泥)取自哈爾濱文昌污水廠.采用化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理(投加聚合氯化鋁鐵作為混凝劑)與傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理的混合工藝處理污水.

1.2 活化方法

混合污泥在103℃下干燥到水分少于5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，將其研磨(粒徑d＜0.1 mm)后以質(zhì)量比1∶3加入到濃硫酸(18.0 mol/L)中，室溫靜止放置24 h后在103℃下再干燥24 h.然后污泥在550℃下活化1 h，產(chǎn)物研磨(粒徑d＜0.1 mm)后用3 mol/L HCl和去離子水漂洗，再在103℃下干烘24 h.

1.3 分析方法

采用HITACHI S4800 HSD掃描電子顯微鏡、ASAP 2020M比表面積分析儀、Optima 5300DU ICP-AES法、CHNS-Vario EL型元素分析儀測(cè)定混合污泥吸附劑的各種性質(zhì).

1.4 在污水處理中的應(yīng)用

污水(pH:7.2，COD:213.4 mg/L，UV254: 0.199 cm-1)取自哈爾濱太平污水廠.污水實(shí)驗(yàn)在程序式六聯(lián)攪拌器(深圳)中進(jìn)行.向6個(gè)攪拌杯中分別注入1.0 L污水，分別投入0.05～1.50 g的混合污泥吸附劑，300 r/min快速攪拌60 s，80 r/min慢速攪拌15 min，沉淀20 min，取上清液，檢測(cè)UV254(分光光度法)和COD(重鉻酸鉀法).

進(jìn)行了不同投加量(0～30 mg/L)的聚合氯化鋁鐵(polymeric ferric aluminous chloride，PFAC)與0.3 g/L混合污泥吸附劑聯(lián)用處理污水的實(shí)驗(yàn).按上述實(shí)驗(yàn)方法在六聯(lián)攪拌器中進(jìn)行，最后取上清液檢測(cè)UV254和COD.

選用一種商品活性炭(江蘇，平均粒徑0.1 mm)作為對(duì)照物，與由混合污泥制備出來(lái)的吸附劑作比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附劑性質(zhì)表征

2.1.1 吸附劑表面物理形態(tài)

通過(guò)掃描電子顯微鏡可以觀察到混合污泥吸附劑的表面物理形態(tài)(見圖1).由圖1可知，對(duì)比混合污泥，活化后的混合污泥吸附劑的表面形態(tài)己經(jīng)起了很大變化.混合污泥表面光滑密實(shí)，沒有明顯孔洞，而吸附劑的孔結(jié)構(gòu)清晰可見，表面粗糙度也相應(yīng)增大.而商品活性炭則顯示出表面孔隙為微孔.

圖1 混合污泥及其吸附劑的掃描電鏡分析

2.1.2 比表面積與孔結(jié)構(gòu)

表1列出混合污泥吸附劑的比表面積、孔容容積及平均孔徑，并與商品活性炭作對(duì)比.可以看出，由于濃硫酸的擴(kuò)孔作用，混合污泥吸附劑在活化過(guò)程中主要形成中孔與大孔結(jié)構(gòu)，而商品活性炭主要是微孔結(jié)構(gòu)，因此吸附劑的比表面積較小.

表1 吸附劑與活性炭比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.3 元素分析

混合污泥吸附劑經(jīng)過(guò)消解后，利用ICP-AES檢測(cè)其Fe，Al金屬元素含量;0.1 g吸附劑投加于1.0 L去離子水中混合30 min，檢測(cè)其在水中Fe，Al滲出量.對(duì)吸附劑與商品活性炭的金屬含量與水中滲出量分析結(jié)果見表2.由表2可看出，由于制備吸附劑的原材料污泥中含有化學(xué)污泥，而化學(xué)污泥內(nèi)含大量的混凝劑PFAC，所以吸附劑本身Fe，Al含量較高，在水中也解析出一部分Fe，Al離子.

對(duì)混合污泥吸附劑進(jìn)行元素分析，并與商品活性炭作比較，結(jié)果見表3.從表3中可以看出，吸附劑含碳量較低，而商品活性炭的含碳量達(dá)到71%.混合污泥吸附劑的其他元素含量都較商品活性炭多.硫元素的含量較多可能是由于活化劑是H2SO4，S已經(jīng)在吸附劑里形成穩(wěn)定的化合物［8］.

表2 混合污泥吸附劑鐵、鋁含量及其在水溶液中鐵、鋁滲出量 mg·g-1

表3 元素分析 %

2.2 吸附劑對(duì)污水中有機(jī)物的吸附性能

投加一定量的吸附劑于污水中，其對(duì)UV254和COD的去除情況如圖2所示.從圖2可以看出UV254與COD去除率都隨著投加量的增大而增大.

當(dāng)投加量為1.5 g/L時(shí)，對(duì)于UV254，活性炭的去除率可達(dá)90%，而混合污泥吸附劑的去除效果不如活性炭，只有50%.這可能由于活性炭對(duì)UV-活性物質(zhì)有選擇吸附特性，例如芬芳族有機(jī)物［9］或者不飽和雙鍵有機(jī)物［10］.

而對(duì)于COD，情況剛好相反，混合污泥吸附劑能達(dá)到70%，而活性炭對(duì)COD的去除率最高只有55%.這可能由于吸附劑孔徑分布較寬，為大中孔結(jié)構(gòu)，容易吸附大分子有機(jī)物，而活性炭為微孔結(jié)構(gòu)，阻礙大分子或者顆粒狀、膠體狀有機(jī)物的吸附［11］.另外，一方面混合污泥吸附劑在污水中能析出一部分Fe、Al金屬離子，與混凝劑發(fā)生作用，能通過(guò)絮凝作用去除顆粒狀和膠體狀的COD［12］，而另一方面，吸附劑本身含有大量的鐵、鋁氧化物，可通過(guò)水解生成表面氫氧化物，并與水中陰陽(yáng)離子發(fā)生作用，如下式［13］:

因此，含有鐵、鋁的混合污泥吸附劑能很好吸附水中的陰、陽(yáng)離子，使有機(jī)污染物能很好地去除.

2.3 吸附劑對(duì)強(qiáng)化一級(jí)污水處理的提升效果

由上述研究可知，吸附劑對(duì)污水有機(jī)物污染物有較高的去除率.因此，進(jìn)一步研究該一級(jí)污泥和生物污泥的混合污泥制備的吸附劑回用于污水化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理的效果，考察其對(duì)化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理的提升作用.

投加0.3 g/L的混合污泥吸附劑，改變PFAC的投加量，兩者聯(lián)用處理城市污水，取上清液檢測(cè)得UV254和COD去除效果見圖3.從圖3可以看出，隨著PFAC的投加量增大，UV254和COD的去除率也隨著加大.還可以看出，混凝劑PFAC與污泥吸附劑的聯(lián)用比只單獨(dú)用混凝劑有更好的效果，即投加吸附劑后可以增加有機(jī)污染物的去除率.如只單獨(dú)用30 mg/L的PFAC，對(duì)UV254和COD的去除率分別是25.1%和66.3%，而0.3 g/L的污泥吸附劑投入到15 mg/L的PFAC混凝系統(tǒng)后，UV254和COD的去除率分別是26.1%和61.6%，顯示出相近的去除效果，但PFAC的投加量減少50%.說(shuō)明在化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理中，投加少量的吸附劑與混凝劑聯(lián)用，一方面實(shí)現(xiàn)污泥資源化，另一方面大大減少混凝劑的投加量，提升了化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理效果.

圖3 不同投加量PFAC與0.3 g/L混合污泥吸附劑聯(lián)用對(duì)污水UV254和COD的去除效果

3 結(jié)論

1)利用以化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理與生物二級(jí)處理工藝的城市污水廠的化學(xué)生物混合污泥，可以制備吸附性能較好的吸附劑.最佳制備條件為質(zhì)量比1∶3，浸漬于18.0 mol/L的濃硫酸中，在550℃高溫?zé)峤? h.

2)由于濃硫酸的擴(kuò)孔作用，污泥吸附劑以中、大孔徑為主，孔徑分布比較寬.吸附劑含有大量的鐵、鋁，在水溶液中能水解生成氫氧化物吸引陰陽(yáng)離子，使有機(jī)物污染物得以去除.

3)污水處理中，雖然吸附劑對(duì)UV254的去除效果不如商品活性炭，但對(duì)COD的去除效果優(yōu)于商品活性炭.吸附劑與混凝劑聯(lián)用于化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理，一方面大大減少混凝劑的投加量，另一方面使污泥資源化回用于污水處理中.

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