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生的主要副產物，也是全球水工業(yè)產生的最廣泛的副產品。但是，讓人驚訝的是全球范圍內的明礬污泥生產和處置數(shù)據(jù)的信息很少，即使是最近的文獻中，污泥生產的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、成本和其他相關信息也普遍有限。長期以來，與鋁污泥相關的關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 明礬污泥的結構與性質

在水凈化中使用的鋁鹽在技術上是硫酸鋁，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吸收。鋁污泥主要為凝膠性非晶形結構，由有機和懸浮物、無機物質、各種微生物菌團、凝血產物和化學物質組成[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，吸附等溫線擬合結果表明，功能球對Cu(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，故功能球對Cu(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方案；Yang等[12]提出廢水中0.14～3.20mg·L-1到597～675mg·L-1范圍內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內很快，在4h內達到平衡。

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。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。

3 總結

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。