耿 慧,許 穎*,戴曉虎,2,楊殿海

離子交換樹脂在污泥處理中的應用及展望

耿 慧1,許 穎1*,戴曉虎1,2,楊殿海1

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院,上海 200092；2.上海市污染控制與生態(tài)安全研究所,上海 200092)

離子交換樹脂(IER)因其不溶性以及可循環(huán)利用性被廣泛用于廢水處理,但目前仍缺乏其對污泥應用研究的綜述.本文匯總了污泥中常見IER類型(陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂以及螯合樹脂),并介紹了樹脂的基本特性以及適用的污泥方向,其中陽離子交換樹脂,尤其是強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂,適用范圍最廣.IER在污泥中的應用歸為4類,分別為去除/回收重金屬、回收磷、胞外聚合物提取以及調(diào)理污泥,并闡述了基本應用機理以及優(yōu)缺點.針對IER在污泥中應用的不足,提出未來的研究方向,包括改性或開發(fā)新型IER去除/回收污泥中的重金屬,優(yōu)化IER直接回收污泥中磷的方法,改進IER調(diào)理污泥的方式以及開發(fā)新型分離IER與污泥的手段.本文有助于研究人員更好的了解IER在污水廠污泥中的應用現(xiàn)狀,優(yōu)化IER處理污泥的應用方式以及開發(fā)應用于污泥處理的新型IER.

離子交換樹脂；污水廠污泥；重金屬；磷回收；胞外聚合物

作為污水處理的副產(chǎn)物,污水廠污泥產(chǎn)量逐年增加[1].污水廠污泥不僅含病原體、抗性基因、重金屬等污染物,也含有具備轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能的易腐有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)(如N、P、K等),若不及時妥善地對污泥進行處理處置,不僅會對環(huán)境造成二次污染,嚴重威脅人類健康,也會造成污泥資源的浪費.

離子交換樹脂(IER)是一種以不溶性交聯(lián)聚合物為骨架,接枝活性功能基團的合成高分子材料[2-3].當IER與含有相同電荷離子的溶液接觸時,便會發(fā)生離子交換[4]. 由于IER的不溶性以及可循環(huán)再生性,IER被廣泛應用于各領(lǐng)域,如水處理、濕法冶金、傳感器、色譜和生物分子分離、催化劑等[4-10],樹脂制備工藝實現(xiàn)工業(yè)化.因IER的優(yōu)越性以及作用機理,IER在污水廠污泥處理研究中也得到關(guān)注與應用,主要集中于去除/回收污泥中重金屬[11-13]、回收磷[14-17]、提取污泥胞外聚合物(EPS)[18-22]、調(diào)理污泥[2,23-24]等.利用IER可以實現(xiàn)污泥中資源物質(zhì)的回收、污染物的去除以及污泥處理處置效果的強化.盡管將IER應用于污泥處理的研究已有大量報道,但是到目前為止,對已有的相關(guān)研究進行總結(jié),展望IER在污泥處理領(lǐng)域的應用前景未見報道.

本文總結(jié)并探討了IER在污水廠污泥處理中的應用及研究進展.從IER的基本理化性能,介紹了污泥處理中常見的IER;總結(jié)了IER在污泥處理中的主要應用并分析了其優(yōu)勢與不足;最后針對這些不足提出了未來的研究方向,為優(yōu)化和拓展IER在污泥處理中的應用、實現(xiàn)污泥最大資源化提供有益參考.

1 污泥處理中常見的IER類型及特性

目前,在污泥處理過程中常用的IER可分為3類(以官能團的性質(zhì)為分類依據(jù)),包括陽離子交換樹脂(CER)、陰離子交換樹脂(AER)以及螯合樹脂.

1.1 CER

CER包括強酸性陽離子交換樹脂和弱酸性陽離子交換樹脂,主要通過與污泥中多價態(tài)金屬發(fā)生離子交換,從而實現(xiàn)多價態(tài)金屬的去除以及污泥結(jié)構(gòu)的破壞.

強酸性陽離子交換樹脂含有強酸性功能基團,如磺酸基團(-SO3-)[25].磺酸基團易在溶液中發(fā)生離解,離解出的陽離子可與溶液中帶相同電荷的離子發(fā)生離子交換[26].在污泥處理中,常用的強酸性陽離子交換樹脂是強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂,該類樹脂主要涉及去除/回收污泥中重金屬、回收磷、EPS提取以及調(diào)理污泥,尤其是EPS提取[2,16-17,27-30].也有研究采用大孔型強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂,主要用于去除/回收污泥中的重金屬[28].

弱酸性陽離子交換樹脂中應用最為廣泛的是大孔弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂,該類樹脂以羧酸基(-COO-)為功能基團,以丙烯酸系為骨架.樹脂離解后的負電基團(-COO-)吸附溶液中的帶正電離子,實現(xiàn)離子交換[26].羧酸配體是一種弱酸,離解能力較弱.與強酸配體-SO3-相比,羧酸配體對二價堿土離子的選擇性更高,磺酸配體能夠與堿金屬和堿土離子交換,但選擇性相對較低[4].在污泥領(lǐng)域,該類樹脂主要用于去除/回收重金屬、EPS提取以及調(diào)理污泥[13,18,23].

1.2 AER

根據(jù)已有文獻報道,AER可與不同形式的磷酸鹽發(fā)生離子交換作用,實現(xiàn)磷的回收[14,31].

AER實現(xiàn)離子交換主要依賴于胺基[32],包括季銨基[-N(R3),R為碳氫基團]、伯胺基[-NH2]、仲胺基[-NRH]和叔胺基[-NR2].強堿性陰離子交換樹脂主要以-N(R3)為功能基團[33],該基團可在水中離解出OH-,N(R3)+基團則吸附溶液中的帶負電荷離子,實現(xiàn)溶液中陰離子的去除.常見的強堿性陰離子交換樹脂以丙烯酸系或苯乙烯系為骨架[14,31].弱堿性陰離子交換樹脂的功能基團呈弱堿性,主要有-NH2、-NRH以及-NR2[33].常見的弱堿性陰離子交換樹脂主要以苯乙烯系為骨架[31].

強堿性陰離子交換樹脂主要利用靜電力與陰離子相互作用,對陰離子的選擇性取決于待分離離子(具有相同電荷)的水合程度;而弱堿性陰離子交換樹脂主要通過靜電力、氫鍵和配位鍵與陰離子相互作用,使該類樹脂對含有大量氧原子的多價態(tài)陰離子或含氧陰離子的選擇性更高[34-35].

1.3 螯合樹脂

螯合樹脂是一種功能基團含氮、氧、硫或磷原子,可通過路易斯酸堿相互作用與大多數(shù)金屬離子形成配位鍵的交聯(lián)功能高分子材料[36],在污泥處理中主要用于去除/回收污泥中的重金屬和調(diào)理污泥[24,27].雖然螯合樹脂主要通過配位鍵吸附金屬離子,但是,當功能基團含有可結(jié)合/解離的殘基時,也會存在離子交換和靜電相互作用這類吸附機制[37].該類樹脂主要以交聯(lián)聚合物(如常見的聚苯乙烯交聯(lián)二乙烯基苯)為骨架.螯合樹脂的選擇性取決于空間效應、官能團的相對位置及其空間構(gòu)型,有時還取決于它們與基體的距離和基體性質(zhì)[37].

2 IER在污泥處理中的應用

2.1 去除/回收污泥中的重金屬

污泥中富含植物生長所需的有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)(N、P),具有用作農(nóng)業(yè)肥料的潛力,對污泥進行恰當處理可實現(xiàn)這類物質(zhì)的回收再利用[38-39].但是,污泥中也含有大量重金屬,包括Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr和Hg[38-39],若長期在土壤上施會導致重金屬積累至有毒水平,造成土壤污染并阻礙植物生長,尤其是在低 pH 值或含高溶解性有機碳的土壤中[40-41].因此,污泥土地利用的前提是去除污泥中的重金屬.

目前,有研究利用IER去除/回收污泥中的重金屬.值得注意的是,這些研究基本都是利用酸性浸出劑與IER相結(jié)合的方式實現(xiàn)重金屬的去除/回收[12-13,27-28,42].利用酸性浸出劑使污泥中呈穩(wěn)定態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為溶解態(tài),釋放至液相中;釋放的游離重金屬離子與樹脂中的氫離子發(fā)生交換,樹脂吸附重金屬離子.Lee等[27]在研究中發(fā)現(xiàn),單一的強酸性浸出劑或強酸性陽離子交換樹脂會更利于降低污泥中重金屬殘留量,但是若考慮到酸性浸出劑與陽離子交換樹脂的相互作用,較弱的酸(檸檬酸)與強酸性陽離子交換樹脂的組合反而獲得最高的金屬去除率.這主要是因為強酸不僅會提高污泥中重金屬離子浸出率,也會提供許多氫離子,從而與重金屬競爭可交換位點[27].Bezzina等[13,42]的研究結(jié)果與該現(xiàn)象相似,酸性浸出劑的選擇會對后續(xù)離子交換樹脂回收重金屬效果產(chǎn)生影響,這也與樹脂自身功能基團的性質(zhì)有關(guān),例如,認為羧酸類弱酸的絡合性質(zhì)有利于穩(wěn)定溶液中的金屬離子,產(chǎn)生了更廣泛的利于金屬提取功能的pH值區(qū)域.此外,IER去除/回收污泥中重金屬的效果與酸浸液pH值、反應時間、溫度以及樹脂投加量等因素有關(guān)[27-28,43-45].研究表明強酸型離子交換樹脂最佳pH值范圍偏酸性(pH=2～3),而弱酸型離子交換樹脂的合適pH值范圍偏中性(pH=5～7),這主要是因為強酸型和弱酸型樹脂官能團解離系數(shù)的差異以及氫離子會與金屬離子競爭樹脂的結(jié)合位點[28,43-44].IER對重金屬的去除/回收隨著反應時間的增加而增加,直至飽和,時間過長可能會發(fā)生解吸,出現(xiàn)去除率下降的現(xiàn)象;樹脂投加量對去除效果的影響一般呈現(xiàn)一種不斷增加直至平衡的趨勢;離子交換過程是吸熱反應,因此較高溫度可以提高重金屬去除率,不過也需要考慮高溫帶來的能耗問題[28,43-44].在合適的參數(shù)下,重金屬(如Zn、Cu、Pb)的去除率可高達90%[28].

與其他去除重金屬的方法如電動法、生物淋濾法、酸提取法等[46-47]相比,離子交換樹脂法主要有兩大方面的優(yōu)勢,一是IER與酸提取相結(jié)合,可以有效回收酸浸液中的重金屬,實現(xiàn)污泥中重金屬去除-回收一體化;二是IER可再生重復利用,符合可持續(xù)發(fā)展理念.盡管如此,該方法也存在不足之處,在處理過程中,需要利用酸性浸出劑對污泥中重金屬進行預活化(即改變污泥中重金屬的化學形態(tài)),才能獲得高重金屬回收率,這在一定程度上增加了成本,也不利于污泥的后續(xù)處置.

2.2 回收磷

磷是一種必需營養(yǎng)元素且對于全球糧食生產(chǎn)十分重要,隨著全球經(jīng)濟發(fā)展,未來對磷的需求也在進一步增加[48-49].然而,磷礦(磷的主要來源)是一種不可再生資源,有文獻報道表明,其將在未來100年內(nèi)完全消耗殆盡[17,50].因此,需要開發(fā)從二次資源中回收磷的技術(shù),實現(xiàn)磷的循環(huán)利用.全球每年約有 130 萬t磷隨污水進入污水處理廠,其中約90%的磷最終留在污水污泥中[17,48,50].因而,污泥被認為是磷回收的重要來源之一.

表1總結(jié)了目前利用IER回收磷的相關(guān)研究.根據(jù)污泥形式的不同,將利用IER回收磷的研究分為兩類,一類是利用IER回收經(jīng)處理污泥中的磷,另一類是IER直接回收污泥中的磷.

第一類,利用IER回收處理后污泥(如污泥厭氧消化液、脫水濾液以及污泥灰)中的磷.梅翔等[31]采用4種不同的大孔陰離子交換樹脂(表1)回收污泥厭氧消化液中的磷.這一過程中,AER直接與溶液中帶負電荷的磷酸根基團發(fā)生離子交換,反應完成后用NaOH溶液再生樹脂,含高濃度磷的洗脫液可作為磷礦石的替代物,從而實現(xiàn)磷的回收[51].4種不同的樹脂中,DSQ(弱堿性大孔苯乙烯系多胺類)的磷交換容量最高,這主要因為相比于其它3種樹脂,DSQ樹脂的離子交換位點更多,而且DSQ樹脂含有多個胺基,與磷酸氫根和磷酸二氫根之間除了離子交換作用,還可能存在氫鍵作用[29].Awual等[52]同樣指出,相比于強堿性陰離子交換樹脂,弱堿性樹脂更利于回收磷.Bottini等[15]也利用AER回收污泥中的磷,與前者不同的是,該研究是回收污泥脫水濾液中的磷.研究人員采用對溶解性磷具有高吸附性的陰離子氧化鐵樹脂處理污泥脫水濾液,磷的回收率最高可達95%.污泥灰,即焚燒后的污泥產(chǎn)物,也常用于回收磷.焚燒后,大部分磷會集中在焚燒的污水污泥灰中,其含量在(10.0～25.7)wt %(以 P2O5計)之間,與磷酸鹽礦石中的磷含量(5～40)wt %相當[53].污泥灰中磷的回收主要有3個步驟,包括化學提取、樹脂純化以及沉淀(以鳥糞石的形式)[16,50-51,54].在回收污泥灰中磷的過程中,IER的作用主要是去除經(jīng)化學提取后釋放的金屬離子以及其他雜質(zhì),以提高鳥糞石純度,這主要是因為分離金屬與磷是生成鳥糞石結(jié)晶的先決條件[51].值得關(guān)注的是,這些研究中所利用的IER均是同一種樹脂,即強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂,這可能是因為此類樹脂結(jié)構(gòu)中的磺酸基團對金屬離子的親和力較強,并且該樹脂可適用于所有pH值條件.經(jīng)過IER的純化,鳥糞石的純度可達到76.0%～98.27%[16,50-51,54],實現(xiàn)磷的高效回收.

第二類,利用IER直接回收污泥中的磷.污泥中除了上清液中含有總?cè)芙庑粤?也可能分布在細胞、EPS和無機礦物質(zhì)中.但是,常用的酸提取法無法有效釋放與EPS結(jié)合的磷[17].實現(xiàn)高效回收磷,Ding等[2]采用強酸性陽離子交換樹脂(ACER)回收污泥中的磷.ACER的加入不僅使污泥環(huán)境呈酸性,而且可以破壞EPS結(jié)構(gòu),進一步釋放磷;同時,樹脂還可以吸附釋放出的金屬離子,避免對磷回收產(chǎn)生干擾.但ACER的吸附作用也導致提取物中 NH4+-N濃度過低,無法滿足鳥糞石沉淀的要求[55];因此,該研究中磷最終通過調(diào)節(jié)提取物pH值生成Ca-P 沉淀物的形式被回收,這也是磷肥的有效成分.與酸提取相比,ACER提取液中總磷的釋放率提高了13%～23%,溶解性金屬含量下降了90%以上[17].

這兩類利用IER回收磷的方式雖然都可以實現(xiàn)磷的高回收率,但是各自均有一定的缺點.第一類,污泥厭氧消化液或脫水濾液中的磷只是污泥中總磷的一部分,直接利用AER回收污泥厭氧消化液或脫水濾液中磷的方式具有有限性;回收污泥灰中的磷,盡管一定程度上彌補了前者的缺陷,但是其回收過程較為繁瑣,既需要酸提取,又利用CER處理,成本相對較高.第二類,該方式可同步實現(xiàn)磷釋放以及金屬離子去除,但是,目前相關(guān)的研究報道較少,仍需要進一步優(yōu)化探究.

2.3 提取污泥胞外聚合物

微生物分泌的EPS含有大量蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)以及DNA等物質(zhì)廣泛存在于污泥絮體中[56-57].

表1 利用離子交換樹脂回收磷

EPS在污泥絮凝、沉降和脫水性能、碳/營養(yǎng)物質(zhì)儲存、細胞保護等方面中均起著非常重要的作用[57-59].因此,在評價污泥處理處置手段效果時,EPS提取分析常作為一項重要的研究方法.另一方面,EPS含有不同的帶負電荷基團,通過二價和/或三價陽離子(如Ca2+、Mg2+、Fe3+)結(jié)合形成大的聚合物網(wǎng)絡,從而維持微生物絮體的完整性以及三維結(jié)構(gòu)[23,56,60-62].基于此,研究人員通常利用IER去除污泥中的陽離子,促使絮體破裂并釋放 EPS,從而實現(xiàn)EPS提取.

1995年,Fr?lund等[22]首次利用CER提取活性污泥的EPS.研究表明,通過增加攪拌強度、樹脂投加量和提取時間可以提高 EPS提取量;同時也會影響EPS中各化合物的提取量以及相對分數(shù),這主要歸因于各類化合物的提取難易程度不同.與熱提取(80℃,1h)、堿提取(NaOH,pH=11)相比,樹脂提取17h的產(chǎn)量大約是前兩者的兩倍[22].該研究為后續(xù)利用CER提取EPS奠定了基礎(chǔ)[19-21,29,56,62-66].Chao等[67]在此基礎(chǔ)上討論了樣品制備(樣品稀釋與保存)對CER提取EPS的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn),無論反應時間長短,EPS提取量都會隨著稀釋度的增加而減少(最高降低了約30%),這主要是因為稀釋導致污泥樣品的異質(zhì)性.另外, 從儲存的原始污泥樣品中CER提取的EPS含量隨著儲存時間的延長呈現(xiàn)出增長趨勢.Wang等[68]也得出了類似的結(jié)論,即增加污泥儲存時間顯著增加了EPS含量.這可能是因為儲存期間污泥中發(fā)生了細胞裂解或絮體分解,造成污泥中有機物的釋放,有利于EPS提取[67-68].

Park等[63]對比了幾種提取污泥中EPS的方法,結(jié)果顯示,相比于堿提取以及硫化物提取,CER對Ca2+、Mg2+具有高選擇性,進而更利于去除與Ca、Mg結(jié)合的EPS;而且CER提取的EPS中蛋白/多糖比值最低,說明CER對多糖和/或糖蛋白的提取效果更佳,也有可能是對污泥中的凝集素或類凝集素蛋白具有高親和力(凝集素是碳水化合物的靶向蛋白,可以在二價陽離子(包括Ca2+、Mg2+、Zn2+、Mn2+)的作用下,與碳水化合物結(jié)合).與離心法和熱提取法相比,CER提取的EPS中含有更多的多糖[69-70].有研究進一步將不同EPS提取法分為物理法和化學法,物理法主要包括離心、超聲、CER、超聲+CER以及熱提取法,化學法主要包括甲醛+熱、甲醛+NaOH、乙醇以及EDTA提取法[65].在該研究中, CER提取效果不如化學提取法,可能是因為CER提取時間較短(1h).這與Wei等[20]和Comte等[71]的研究結(jié)果一致.在幾種物理提取法中,CER提取法最具優(yōu)勢.首先,CER提取法中污泥細胞的細胞裂解程度最大,這主要是由于CER提取EPS的機制主要通過去除二價陽離子破壞顆粒穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和對顆粒施加的剪切力,這些作用對細胞壁的破壞作用較小[22,65].其次,相比于多糖,蛋白質(zhì)與多價陽離子的親和力更強,因而CER提取法更利于EPS中蛋白質(zhì)組分的提取[65];第三,CER提取法可以從活性污泥中提取廣泛的熒光物質(zhì), 而甲醛+熱和甲醛+NaOH方法不能提取或提取腐殖酸類和富維酸類物質(zhì)的效率低[72].以上研究也證明,EPS提取總量和化學組分在很大程度上取決于所用的提取方法[73].

在多種污泥EPS提取法中,CER提取法提取效率雖然不是最高的,低于化學提取法,但是該提取法可以避免污泥被化學試劑污染,而且對污泥細胞的破壞程度小;同時,該法又比其他物理方法提取效率高[70].

2.4 調(diào)理污泥提升厭氧消化

厭氧消化是一種可以實現(xiàn)污泥無害化、減量化以及資源化的技術(shù).一般來說,厭氧消化主要包括水解、酸化、乙酸化以及甲烷化4個階段,通過一系列生化反應,污泥中的有機質(zhì)通過產(chǎn)酸微生物轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸(SCFAs),隨著進一步消化反應,產(chǎn)生的 SCFAs被產(chǎn)甲烷菌降解轉(zhuǎn)化為 CH4和CO2[74].不管是SCFAs還是CH4,均是高價值能源產(chǎn)品[75-76].然而,污泥的半剛性結(jié)構(gòu)和復雜性質(zhì)阻礙了污泥中有機質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化,不利于增加高價值產(chǎn)品的產(chǎn)量.因此,需要利用有效手段調(diào)理污泥,提升污泥厭氧消化潛能.

表2 離子交換樹脂調(diào)理污泥

基于CER可通過去除污泥中陽離子提取EPS以及EPS在污泥結(jié)構(gòu)中的重要性,有研究人員利用CER調(diào)理污泥,通過去除污泥中陽離子,瓦解EPS結(jié)構(gòu)以及污泥絮體,促使污泥中有機質(zhì)釋放,提高有機質(zhì)生物降解性,如表2所示.Pang等[2]將CER與污泥混合進行厭氧發(fā)酵,結(jié)果顯示CER與污泥共發(fā)酵可以誘導污泥水解,提高SCFAs產(chǎn)量,但并沒有提高甲烷產(chǎn)量.其認為在污泥厭氧消化過程中CER的存在對產(chǎn)甲烷具有抑制作用[59].事實上,污泥厭氧消化的周期較長(通常>20d),在長時間厭氧消化過程中,CER與污泥中多價態(tài)陽離子的交換作用可能會發(fā)生可逆性[23].因此,已通過交換作用附著在CER中的多價金屬離子有可能再釋放到污泥中,而釋放的金屬離子可能會與污泥中的有機質(zhì)重新結(jié)合,使污泥有機質(zhì)結(jié)構(gòu)再次穩(wěn)定,不利于污泥的厭氧消化產(chǎn)甲烷.在本文前期研究中,利用CER對污泥預處理,分離CER和污泥進行厭氧消化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),甲烷產(chǎn)量提高了約80.5%,SCFAs的最大產(chǎn)量是對照組(未經(jīng)CER預處理)最大產(chǎn)量的6倍多.此外,有研究報道通過CER去除污泥上清液中的多價陽離子誘導污泥絮體的破解.在該過程中,雖然CER處理提高了污泥有機質(zhì)溶解與釋放,但是并未提升厭氧消化產(chǎn)甲烷性能[24,77].這可能是因為CER未直接與污泥接觸,部分污泥絮體可能破壞,但有機物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并未受到明顯破壞,因而不能提升污泥有機物厭氧消化產(chǎn)甲烷.

綜上所述,CER調(diào)理污泥能促進EPS和污泥絮體結(jié)構(gòu)的崩解,釋放大量有機質(zhì),但是CER調(diào)理污泥的操作方式不同會導致污泥后續(xù)厭氧消化性能的不同;此外,由表2可發(fā)現(xiàn)這些研究所利用的CER類型也不同,樹脂類型可能也會影響污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷性能.但是,具體的影響機制尚不清晰.另外, CER調(diào)理污泥仍需考慮CER的循環(huán)利用次數(shù)和經(jīng)濟成本,在實際應用中可能會因為污泥性質(zhì)的差異,導致處理污泥所需CER量不同,CER的消耗成本需要進一步評估.

3 展望

當前,雖然IER在不同的污泥研究方向均有涉及,并體現(xiàn)了一定的優(yōu)越性;但是,仍存在一些研究空白.比如,IER去除/回收重金屬的研究大多停留在與酸性浸出劑聯(lián)合應用的階段;鮮有研究直接利用IER回收污泥中的磷;IER調(diào)理污泥提升厭氧消化仍處于初步研究階段等.針對這些研究空白,未來的研究可從以下3個方面進行探索.

第一,通過改性IER或者制備新型IER直接去除/回收污泥中的重金屬.目前的研究主要是采用“酸+IER”的處理手段實現(xiàn)重金屬的去除/回收.但是,酸性污泥的后續(xù)處置是一個問題,需要加入適量堿進行中和,增加經(jīng)濟成本,也不利于工程應用.基于此,通過改性或者制備突破界面阻礙直接去除污泥中重金屬的新型IER是未來的一個重要研究方向.

第二,深入探究IER直接回收污泥中磷的方法.當前研究主要利用IER回收污泥厭氧消化液、脫水濾液和污泥灰中的磷.污泥厭氧消化液或脫水濾液中的磷可被AER回收,但是忽視了污泥固相中存在的部分磷;而污泥灰中的磷主要采用“三步回收法”,相對繁瑣.ACER法可直接回收污泥中的磷,雖然一定程度上彌補了上述缺陷,但是該回收方式對污泥后續(xù)處理處置的影響尚不清楚.因此,在未來的研究中,一方面,要開發(fā)利用IER直接回收污泥中磷的新方法,另一方面,要探究經(jīng)IER處理對污泥后續(xù)處置的影響.

第三,優(yōu)化IER調(diào)理污泥的方式,開發(fā)污泥與IER反應及分離的新方法.在已有的研究中發(fā)現(xiàn)不同的調(diào)理方式以及不同樹脂類型對最終的厭氧消化效果有不同的影響,尤其是厭氧消化產(chǎn)甲烷性能.因此,有必要針對這些不足進行研究,進一步揭示調(diào)理操作方式以及IER類型對污泥厭氧消化的影響.此外,當前的研究報道主要是利用篩網(wǎng)分離IER與污泥,該方法在實驗室規(guī)模中是可行的,但是不利于后續(xù)工程應用推廣.所以,開發(fā)污泥與IER的新型反應方式是未來研究的另一個重要方向.

4 結(jié)論

4.1 總結(jié)了污泥中常用的IER類型以及相應特性,主要包括CER、AER以及螯合樹脂,其中,CER在污泥中的應用較其它樹脂更廣泛.

4.2 分析了IER在污泥中的主要應用:去除/回收重金屬;回收磷;EPS提取;調(diào)理污泥,并討論了其應用原理與效果.

4.3 進一步識別了IER應用于污泥中的一些不足,主要涉及用于去除/回收重金屬的新型IER改性和開發(fā);IER直接回收污泥中磷的優(yōu)化,IER調(diào)理污泥方式以及IER與污泥分離手段的改進和開發(fā)等.基于這些不足,展望了未來IER在污泥中應用研究的方向,為實現(xiàn)IER在降低污水廠污泥污染和回收資源中的高效應用提供參考.

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Overview and prospect of the application of ion exchange resin in treatment of sewage sludge.

GENG Hui1, XU Ying1*, DAI Xiao-hu1,2, YANG Dian-hai1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China)., 2022,42(11)：5220～5228

Ion exchange resins (IERs) have been widely used in wastewater treatment due to their insolubility and recyclability. There is still a lack of review on the application research in sludge. This paper summarized the common IERs used in sewage sludge (cation exchange resin, anion exchange resin and chelating resin), and introduced their basic characteristics and application direction. Among the IERs, cation exchange resin, especially strong acid styrene cation exchange resin, was the most widely used. The IERs were used in sludge for removal/recovery of heavy metals, recovery of phosphorus, extraction of extracellular polymer substances, and sludge conditioning. The fundamental mechanism, as well as the relevant advantages and disadvantages were demonstrated. Furthermore, in view of the deficiencies in the application of IERs in sludge, future research directions were proposed, including modifying or developing new IER to remove/recover heavy metals, optimizing the method for direct recovery of phosphorus, improving the mode of sludge conditioning, and developing new means of separation. This paper is beneficial for researchers to better understand the current application od IERs in sludge, to optimize the application of IERs, and to develop new IER for sludge treatment.

ion exchange resin；sewage sludge；heavy metal；phosphorus recovery；extracellular polymer substances

X705

A

1000-6923(2022)11-5220-09

耿 慧(1996-),女,江蘇南通人,同濟大學博士研究生,主要從事污泥資源化處理研究.發(fā)表論文2篇.

2022-04-14

國家自然科學基金資助項目(51978498,52131002);國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFC1906301)

* 責任作者, 副教授, xuy@#edu.cn