衛(wèi)新來，俞志敏，吳克，王小丹，王文奎

(1.合肥學院 生物與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601;2.安徽省固體廢棄物能源化工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601;3.安徽省環(huán)境污染防治與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601)

脫水污泥是污水處理廠在污水處理過程中形成的二次產(chǎn)物，每1 萬t 污水產(chǎn)生1 ～3 t 的干污泥［1］。脫水污泥除含有大量的水外，還含有難降解的有機物、重金屬、鹽類，以及少量的病原微生物和寄生蟲卵等，如果處理不當，會形成二次污染，對周圍環(huán)境造成一定的危害［2-3］。我國脫水污泥產(chǎn)量巨大且資源化利用率不高，脫水污泥的污染問題亟待解決。

傳統(tǒng)的脫水污泥處理方法有衛(wèi)生填埋、農(nóng)田和森林施肥、焚燒、投海等［4-5］。衛(wèi)生填埋是目前脫水污泥主要的處理方式，因其需要占用大量的土地面積，已不能適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求［6］;而農(nóng)田和森林施肥等受到接納土地環(huán)境容量的限制，及潛在重金屬污染的限制［4］;焚燒技術(shù)涉及灰渣處理和煙氣處理等問題，且能耗大、成本高［5］。因此，尋求低成本的脫水污泥處理新技術(shù)一直是各國關(guān)心的問題。

活性炭是一種具有發(fā)達細孔結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的含碳吸附劑，能有效地吸附污染物［7］。脫水污泥活性炭是利用城市污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥制備的活性炭，是20 世紀80 年代后期出現(xiàn)的一種新型污泥利用途徑［8-9］。污泥中包含有大量的微生物體和有機物，具有較高的熱值和含碳量，使得采用污泥為原料生產(chǎn)活性炭成為可能［10］，這不但從根本上解決了污泥處理難的問題，更是為降低活性炭的生產(chǎn)成本提供了一種方法［11］。

本研究以某生活污水處理廠的脫水污泥為研究對象，以KOH 為活化劑，采用化學活化工藝制備脫水污泥活性炭，對堿泥比、活化劑濃度、活化溫度及活化時間等影響因素進行了優(yōu)化、研究，并用制備的脫水污泥活性炭進行應(yīng)用研究，從而證明脫水污泥作為制備脫水污泥活性炭的原料是可行的，為污水污泥合理的資源化利用提供一條重要途徑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

脫水污泥，取自六安市某污水處理廠;氫氧化鉀、鹽酸、無水硫代硫酸鈉、無水碳酸鈉、可溶性淀粉、碘、碘化鉀均為分析純。

AA6300 型原子吸收光譜儀;TMP-3 型分析天平;OTF-1200X 型管式電阻爐;721E 可見分光光度計。

1.2 脫水污泥樣品的處理

從污水處理廠取回的脫水污泥含水率較高，濕基含水率為73%，自然風干后，烘箱中105 ℃烘至恒重，然后粉碎過100 目篩，保存于棕色瓶中備用。

1.3 污泥活性炭的制備

取一定量的干燥脫水污泥與一定量的KOH 溶液混合并攪拌均勻，將混合好的料液在常溫下放置24 h，然后將浸漬好的料液過濾，濾餅105 ℃干燥6 h;取一定量干燥后濾餅放入電阻爐中，N2氣氛，升溫速率為10 ℃/min，溫度到達設(shè)定所需要的活化溫度時開始記時，此記錄時間為活化時間。活化完成后用稀鹽酸和蒸餾水分別洗滌，去除殘留在炭中的雜質(zhì)，將洗滌后的活性炭放入烘箱中，在105 ℃烘至恒重，然后冷卻得到脫水污泥活性炭備用。

1.4 吸附性能測試

為考察制備的活性炭的吸附性能，本實驗以樣品對碘的吸附值作為衡量其吸附性能優(yōu)劣的標準。碘吸附值按照GB/T 12496.8—1999《木質(zhì)活性炭試驗方法 碘吸附值的測定》的標準方法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿泥質(zhì)量比的影響

將質(zhì)量濃度為40%的KOH 溶液與干燥脫水污泥按照一定的堿泥比混合，保持活化溫度為500 ℃，活化時間為60 min，制備相應(yīng)的污泥活性炭。圖1為不同堿泥比條件下制備的污泥活性炭對碘的吸附值曲線。

圖1 堿泥比對活性炭碘吸附值的影響Fig.1 Effect of mass ratio of potassium hydroxide to sludge on adsorption of the activated carbon

由圖1 可知，隨著堿泥比增大，污泥活性炭對碘的吸附值也隨之增加，到達最大值后又逐漸降低。當堿泥比為1 時，參與污泥活化反應(yīng)的活化劑量較小，產(chǎn)生的孔道較少，導(dǎo)致吸附值較低;隨著堿泥比的增加，參與反應(yīng)的活化劑逐漸的增多，從而使得KOH 對污泥的造孔作用增加，吸附能力不斷增加。當KOH 對污泥的造孔作用達到飽和時，活化劑的開孔、擴孔作用不明顯，但過多的活化劑可能導(dǎo)致孔道坍塌或堵塞，破壞已經(jīng)形成的孔道結(jié)構(gòu)，引起吸附性能的下降。因而選擇KOH 與污泥的質(zhì)量比3 為較適宜的堿泥比。

2.2 活化劑濃度的影響

圖2 為堿泥比為3，活化溫度為500 ℃，活化時間為60 min，不同KOH 活化劑濃度條件下制備的污泥活性炭對碘的吸附值變化曲線。

圖2 活化劑濃度對活性炭碘吸附值的影響Fig.2 Effect of activator concentration on adsorption of the activated carbon

由圖2 可知，制備的活性炭對碘的吸附值是先逐漸提升，然后有所下降。可能是由于在活化劑濃度較低時，相對于原料KOH 的量偏少，不能將污泥原料全部活化;而當KOH 濃度增加后被活化的原料也隨之增加，從而對碘的吸附值也不斷增加;當KOH 對原料的活化達到飽和時，過多的活化劑會破壞已經(jīng)形成的微孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致吸附性能降低。綜上分析，可以得出適宜的活化劑濃度為40%，所獲得的活性炭吸附效果最好。

2.3 活化溫度的影響

在堿泥比為3，活化劑濃度為40%，活化時間為60 min 條件下，考察不同活化溫度時制備的污泥活性炭對碘的吸附值變化情況，結(jié)果見圖3。

圖3 活化溫度對活性炭碘吸附值的影響Fig.3 Effect of activation temperature on adsorption of the activated carbon

由圖3 可知，400 ～500 ℃活性炭對碘的吸附值隨溫度升高而增大，500 ℃時碘吸附值達到最大，為627 mg/g。這可能由于KOH 活化污泥需要較高的活化能，而在較低溫度時多數(shù)原料不能與KOH 反應(yīng)，而升高溫度會增加其與KOH 反應(yīng)的數(shù)量，因而碘吸附值也隨之增加。而溫度達到600 ～700 ℃時，碘吸附值隨溫度下降，這可能由于過高的溫度使已經(jīng)形成的微孔被擊穿形成大的孔隙，活性炭的吸附性能降低。另外過高的溫度會增加灰分的形成，從而降低活性炭的產(chǎn)率和吸附性能。綜合考慮，500 ℃為較適宜的活化溫度。

2.4 活化時間的影響

圖4 為堿泥比為3，活化劑濃度為40%，活化溫度為500 ℃，不同活化時間條件下制備的污泥活性炭對碘的吸附值變化曲線。

圖4 活化時間對活性炭碘吸附值的影響Fig.4 Effect of activation time on adsorption of the activated carbon

由圖4 可知，隨著活化時間的增加，碘吸附值是先逐漸增加而后降低，活化時間為60 min 時碘吸附值最大，為638 mg/g?？赡苡捎诨罨瘯r間較短時，污泥不能為KOH 充分反應(yīng)，所以形成的微孔有限;隨著活化時間的延長，反應(yīng)程度增大，微孔數(shù)量增加，碘吸附值因而有所提升;當活化時間超過60 min時，KOH 進一步作用，使已經(jīng)形成的微孔孔道坍塌或形成大孔，孔道結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致吸附性能的下降。因此過短或過長的活化時間都不利于活性炭微孔的形成，故而最佳的活化時間為60 min。

2.5 污泥活性炭的初步應(yīng)用

在實驗選定堿泥比為3，活化劑濃度為40%，活化時間為60 min，活化溫度為500 ℃條件下重復(fù)3 次制備的污泥活性炭，其碘吸附值分別為630，635，628 mg/g，平均為631 mg/g。所制備的污泥活性炭碘吸附值接近于GB/T 13803.2—1999《木質(zhì)凈水用活性炭》標準中二級品的質(zhì)量指標(碘吸附值≥900 mg/g)和普通商品活性炭，說明此KOH 化學活化脫水污泥制備污泥活性炭具有一定的可行性。

用最優(yōu)條件下制備的污泥活性炭處理某電鍍廠的電鍍污水。活性炭的加入量為15 g/L，吸附時間為60 min，溫度為30 ℃，電鍍廢水中主要重金屬質(zhì)量濃度變化見表1。

表1 電鍍廢水中重金屬質(zhì)量濃度變化Table 1 The change in the heavy metal concentration of electroplating wastewater

由表1 可知，污泥活性炭對電鍍廢水中主要重金屬的平均去除率可以達到73.46%，對重金屬吸附去除效果良好。

3 結(jié)論

以城市污水處理廠脫水污泥為原料，采用KOH化學活化法，制備出活性炭。確定適宜的制備工藝條件為:堿泥比3，活化劑濃度40%，活化溫度500 ℃，活化時間60 min。在該條件下制備的污泥活性炭平均碘吸附值為631 mg/g，用其處理電鍍廢水效果良好，對重金屬的平均去除率可以達到73.46%。

本文研究表明，以脫水污泥為原料制備污泥活性炭是可行的，所獲得污泥活性炭具有良好的吸附效果，可以用來去除廢水和廢氣中污染物。污泥活性炭制備原料成本相對較低，能實現(xiàn)污泥減量化、無害化與資源化，這有助于解決脫水污泥處理難的問題，為脫水污泥的資源化利用提供一條重要途徑，具有良好的環(huán)境和社會效益。

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