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        明礬污泥去除水環(huán)境中污染物的研究進展

        2022-05-17 07:45:40景彩虹
        農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:明礬混凝染料

        景彩虹

        (沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院,遼寧 沈陽 110168)

        多年來,鋁鹽一直被用作混凝劑使用,混凝和絮凝是世界各地水廠用于水凈化的基本預處理方法,而明礬污泥是凈水廠使用鋁鹽在混凝和絮凝過程產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物,也是全球水工業(yè)產(chǎn)生的最廣泛的副產(chǎn)品。但是,讓人驚訝的是全球范圍內(nèi)的明礬污泥生產(chǎn)和處置數(shù)據(jù)的信息很少,即使是最近的文獻中,污泥生產(chǎn)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、成本和其他相關(guān)信息也普遍有限。長期以來,與鋁污泥相關(guān)的關(guān)鍵問題是其成本效益和高效處理,因為其污泥量大,環(huán)境缺陷,最終影響到世界各地的城市和區(qū)域水務設施。在我國,大部分污泥被視為廢物,被用下水道或垃圾填埋場處理,帶來相關(guān)的財政和環(huán)境成本。因此,如何合理利用明礬污泥,實現(xiàn)明礬污泥變廢為寶,已引起眾多學者的關(guān)注。本文對明礬污泥在去除廢水中重金屬、磷、其他污染物等,以及吸附劑的材料合成方面的研究現(xiàn)狀進行了綜合闡述,并對明礬污泥作為吸附材料對環(huán)境污染物吸附去除的未來研究趨勢進行展望。

        1 明礬污泥的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

        在水凈化中使用的鋁鹽在技術(shù)上是硫酸鋁,一般組成為MAl(SO4)2·12H2O硫酸鋁,其中M是銨或鉀離子[1]。在飲用水凈化過程中將明礬鹽添加到原始渾濁水源中,鋁離子水解成氫氧化鋁,氫氧化鋁是沉淀物。在飲用水處理過程中,絮凝-澄清過程后,原水中的氫氧化鋁沉淀可被有機物等水不溶性雜質(zhì)吸收。鋁污泥主要為凝膠性非晶形結(jié)構(gòu),由有機和懸浮物、無機物質(zhì)、各種微生物菌團、凝血產(chǎn)物和化學物質(zhì)組成[2]。

        2 明礬污泥應用研究現(xiàn)狀

        2.1 對水中重金屬的吸附研究

        明礬污泥被認為是污水處理廠去除污染物的主要吸附劑之一,其可以通過增強吸附和化學沉淀法去除廢水中廣泛的重金屬[3];羥基鋁的無定形性質(zhì)及其高表面積是導致金屬吸附能力提高的主要參數(shù)。明礬污泥的吸附特性可用于去除重金屬污染物,如汞、鉛、砷、鉻和銅。明礬污泥作為重金屬吸附劑的研究存在大量文獻,如,Hovsepyan等[4]研究表明,明礬污泥能有效吸附和固定水溶液中的汞,最大吸附量為79mg·g-1,汞解吸率小于1.5%,有效pH范圍在3~8的明礬污泥表現(xiàn)出吸附廢水中過量汞的潛在能力;Chu等[5]發(fā)現(xiàn),明礬污泥量為100~180mg·L-1,成功將鉛去效率從79%提高到96%~98%,使新鮮明礬鹽從175mg·L-1降低到50.0~12.5mg·L-1。明礬污泥作為一種獨特的混凝劑,在混凝過程中加入75~100mg·L-1,鉛的去除率高達94%;Sarkar等[6]添加明礬污泥作為土壤改良劑,在30min內(nèi)砷的吸收率提高了98%,添加率大于1.25%的明礬污泥降低了砷的植物有效性。Makris等[7]將明礬污泥與雞糞堆肥混合施用到土壤中作為土壤改良劑,有效地降低了砷向地下水源的遷移;雷增江等[8]吸附過程符合Langmuir等溫吸附模型和準一級、準二級動力學方程,其主要吸附機理包括質(zhì)子化基團對Cr(Ⅵ)的靜電吸附及還原作用,5次吸附-解吸實驗后,其吸附量保持初次吸附量的89.71%;劉珊等[9]海藻酸鈉改性鋁污泥功能球在Cu(II)的吸附過程中最佳pH為5.5,吸附平衡時間為24h,吸附過程為自發(fā)、吸熱、熵增的過程,吸附等溫線擬合結(jié)果表明,功能球?qū)u(II)的吸附行為更符合Langmuir模型,表明該吸附過程為單層吸附,動力學模型研究表明,該吸附過程與擬二級動力學模型更符合,故功能球?qū)u(II)的吸附過程主要由化學吸附控制。

        2.2 對水中磷的吸附研究

        幾項廣泛研究[10,11]進行了利用明礬污泥作為廢水中除磷吸附劑的可能性的研究。明礬污泥中大量的無定形鋁離子對廢水中的除磷非常重要,因為這些離子已經(jīng)被證明可以增強吸附和化學沉淀過程,有助于磷的固定。此外,明礬污泥通常含有大量不溶性氫氧化鋁,有利于化學混凝/絮凝。明礬污泥的混凝特性可用于去除廢水處理過程中的污染物,Yang等[12]發(fā)現(xiàn),磷溶液的pH值對磷的吸附量有很大的影響,在酸性區(qū)域吸附增強。在明礬污泥吸附磷的過程中,SO42-和Cl-(廢水中典型的陰離子)對明礬污泥表面磷吸附的競爭影響不顯著,也提出磷在礬泥上的吸附是通過一種球內(nèi)絡合反應進行的,即磷酸鹽取代礬泥表面的官能團并與表面結(jié)合。因此,磷酸鹽通過沉淀過程與鋁離子的吸附被描述的方程見公式(1),并且主要的吸附機制是配體交換。

        (≡Al)2HPO4+H2O+OH-

        (1)

        大量的文獻證明,明礬污泥對磷的吸附能力中pH起著決定性作用。然而,關(guān)于溶液pH值、表面電荷和污泥特性、磷的形態(tài)、明礬污泥劑量和其他工藝變量的影響,對明礬污泥對磷的吸附的大量研究應作為指導去調(diào)查和了解,進一步擴展其利用率。Mortula等[13]研究認為,烘干明礬污泥對于中小城市來說是一種低成本且可靠的除磷技術(shù)方案;Yang等[12]提出廢水中0.14~3.20mg·L-1到597~675mg·L-1范圍內(nèi)的磷可通過施用礬泥輕松去除。胡靜等[14]研究了脫水鋁污泥對水中磷的等溫吸附特征和動力學過程,考察了3個因素對脫水鋁污泥吸附磷的影響。結(jié)果表明,脫水鋁污泥的等溫吸附特征符合Langmuir和Freundlich方程,其中Langmuir方程描述更為準確,其最大飽和吸附量為11.1mg·g-1。王天曉[15]等認為,Langmuir和Freundlich方程均能較好地描述給水處理廠廢棄鐵鋁泥對磷的等溫吸附過程,且當pH從5增至9時,磷的飽和吸附量從41.68mg·g-1減小到17.08mg·g-1。pH越低,磷與廢棄鐵鋁泥的結(jié)合能力越強。Yang等[16]研究指出,明礬污泥適合用作從廢水中去除磷酸鹽的吸附劑。

        2.3 對水中其他污染物的研究

        明礬污泥也被用于去除其他污染物,如氟化物[17]、高氯酸鹽[18]和紡織染料[19]去除。

        2.3.1 氟化物吸附劑

        含氟/氟化物的危險廢物來源于在生產(chǎn)過程中使用氟或其類似化合物作為原料的工業(yè)。Sujana等[17]研究表明,明礬污泥由于其不均勻的表面積和不同的金屬氧化物,顯示出較高的氟化物吸收能力,最佳pH值為6時,氟離子從水溶液中完全去除,氟吸附速率在最初的5min內(nèi)很快,在4h內(nèi)達到平衡。

        2.3.2 高氯酸鹽吸附劑

        2.3.3 紡織染料吸附劑

        在廢水組成和排放量方面,紡織工業(yè)被認為是污染最嚴重的部門之一。紡織染料已逐漸成為造成嚴重環(huán)境危害的人為有機物質(zhì)。Chu[19]提出,明礬污泥可用于去除紡織廢水中的疏水染料,去除效率為88%。不推薦使用鋁污泥去除親水染料,因為親水染料的高溶解度特性會在回收過程中去除水質(zhì)。

        3 總結(jié)

        綜上所述,以明礬污泥為原料制備的吸附材料具有原材料來源廣、價格低廉、環(huán)保、減輕廢棄物處理負擔等優(yōu)點,在對去除水環(huán)境的污染物處理中有著很大的應用和發(fā)展前景,在國家倡導創(chuàng)建資源節(jié)約型的社會時代背景下,明礬污泥的再利用能夠同時實現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟效益、社會效益,對實現(xiàn)資源的可回收利用、變廢為寶具有重要的研究和應用價值。

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