污泥活性炭吸附剂材料的制备及其在废水处理中的应用

摘要

城市污水处理厂在处理污水的同时会产生大量的污泥，污泥中含有大量的有机物和有害物，其性质很不稳定，易腐化，而且还含有的病原微生物、寄生虫卵等，易对环境造成污染。因此，必须对其进行适当的安全处理处置。污泥资源化利用由于可以充分利用污泥中的有用成分，变废为宝，产生了较好的环保效益和经济效益，已成为当前污泥安全处理处置的热点之一。本课题以城市污水生物法处理过程中产生的污泥为原料，针对传统污泥处理处置及其资源化等利用过程中的缺点和不足，在前期实验的基础上，分析传统活性炭制备工艺，以及污泥制活性炭传统方法的基础上，改进污泥活性炭制备原料，简化制备工艺，降低了制备成本，并进一步提高了污泥活性炭的性能。 依据前期实验和国内外相关文献报道，选择干污泥化学活化工艺制备污泥活性炭，以3mol/LZnCl2为活化剂，在氮气环境中，以20℃/min的升温速率升温至600℃下炭化2h，以比表面积和碘的吸附量作为衡量活性炭产品性能的表征。探讨上海闵行污水处理厂污泥制备活性炭可行性。实验结果表明，该污泥制备活性炭是切实可行的。以二沉池活性污泥为原料，制得的产品碘值为772.43mg/g，比表面积为617.87 m2/g，孔体积为0.37cm3/g，微孔体积为0.18 cm3/g，平均孔径2.3nm，重金属含量合格。并对活化剂在污泥制备活性炭材料中的作用也通过热重分析进行了研究，研究结果表明，氯化锌对污泥原料中的有机质起润胀、胶溶以至溶解的作用，药液渗透到原料的内部，溶解有机质成分而形成孔隙，使原料中的氢、氧原子以水的形式分离出来，使更多的碳保留在原料中，提高了多孔吸附材料的产率。并进一步将活性炭产品材料应用垃圾渗滤液的处理中，污泥活性炭的添加量为1.5％，吸附时间120min，CODcr的去除率为64.9％，脱色率为85.4％。 化学物理活化法制备污泥活性炭吸附材料中，改进污泥原料，选用有机物含量较高的二沉池污泥作原料。通过正交试验，以比表面积和碘的吸附量作为衡量活化剂性能的因素，分析化学物理活化法制备污泥活性炭的过程中，活化剂种类、活化剂浓度、炭化温度、炭化时间等是影响因素。实验显示，化学物理活化法制备活性炭最适宜的条件：3mol/LZnCl2、热解温度600℃、炭化时间60min。并进一步分析炭化过程中的实验现象，采用SEM、TGA和活性炭对染料酸性大红GR的吸附能力等分析技术对活性炭产品的性能进行研究，对污泥的热解反应的机理进行了研究。此外，还将污泥质活性炭应用于染料废水的处理，考察了吸附时间、活性炭投加量和pH值对色度及TOC的脱除效果的影响，室温下，污泥活性炭的最佳投加量为 2％，对酸性大红GR废水色度和TOC去除率较高，达99.7％。并利用等温吸附实验作吸附等温线，污泥活性炭对酸性大红GR吸附等温线可用Freundlich或Langmuir方程描述。由吸附动力学分析知，在污泥质活性炭上的吸附行为遵循二级动力学规律，也可以用一级吸附动力学方程描述。 在大量研究的基础上，探索出低成本、高性能的污泥活性炭制备工艺，即采用湿污泥直接活化制备污泥活性炭的工艺，并进一步改进活化剂。实验结果显示：在0.5mol/L氢氧化钾活化剂、污泥含水率在2.5～10％、炭化温度为600℃、停留时间60min，以水蒸气作保护气的条件下，污泥活性炭材料的性能较佳；产品碘值分别为864.23 mg/g，比表面积为737.61m2·g-1，孔体积为0.19cm3·g-1，微孔体积为0.15cm3·g-1，平均孔径为6.72nm。对水蒸气保护气条件下的活性炭吸附剂进行电镜扫描、元素分析、XRD分析，活性炭表面呈现不规则的多孔结构，具有较高的孔隙率；将制备的污泥活性炭产品应用于100mol/L的活性艳红X-3B废水处理中，实验结果表明：污泥活性炭的最佳投加量为 1.5％，室温下，吸附时间15min，色度去除率达99.8％。 本课题通过改进传统污泥活性炭的制备工艺，大大简化制备工艺，降低污泥活性炭的制备成本，提高了吸附性能，并对其物理性能、吸附性能进行研究，为污泥资源化利用的开辟一条新的途径，为污泥活性炭吸附剂材料的进一步开发利用打下坚实基础。不仅充分的体现了废物综合利用的思想，也将产生巨大的环境、经济和社会效益。