類(lèi)中空顆粒污泥炭填料的制備及作為生物填料的性能表征

孔令軍, 譚俊杰, 陳迪云, b*

(廣州大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， b.廣東省放射性核素污染控制與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, c.廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州　510006)

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類(lèi)中空顆粒污泥炭填料的制備及作為生物填料的性能表征

孔令軍a, b, c, 譚俊杰a, 陳迪云a, b*

(廣州大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， b.廣東省放射性核素污染控制與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, c.廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州510006)

城市污泥制備污泥炭，實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化和資源化，受到廣泛的關(guān)注.文章以棉纖維為內(nèi)核，涂覆混有氯化鋅的污泥漿，通過(guò)熱解處理，制備污泥炭為外殼，棉纖維為內(nèi)核的類(lèi)中空顆粒污泥炭.通過(guò)氮?dú)馕?脫附曲線與SEM對(duì)其孔徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.重點(diǎn)比較類(lèi)中空污泥碳與商業(yè)活性炭作為填料,在不同條件下對(duì)生活污水COD、氨氮和總氮去除性能的差異.類(lèi)中空污泥碳作為填料的去除效果顯然高于市售活性炭填料.因此，利用污泥制備類(lèi)中空污泥炭，并將其作為填料應(yīng)用于生活污水的深度處理，具有廣闊的應(yīng)用前景.

類(lèi)中空污泥炭； 生物填料； 污泥資源化； COD； 氨氮； 總氮

剩余污泥是污水處理的產(chǎn)物，早在1971年KEMMER首次提出化學(xué)活化處理干污泥制備生物炭吸附劑[1].同年BEECKMANS等將污泥碳化制得含碳量為14%的焦炭，并將其應(yīng)用于廢水中COD的去除，發(fā)現(xiàn)其吸附能力介于粉煤灰和椰殼活性碳之間[2].自此以后，利用污泥制備多孔炭吸附材料成為近些年來(lái)污泥資源化利用的熱點(diǎn).前期研究利用污泥成功制備孔隙發(fā)達(dá)的生物炭，發(fā)現(xiàn)所得污泥炭材料對(duì)環(huán)境中有機(jī)污染物具有優(yōu)異的吸附性能[3-4].但所得的吸附材料一般為粉末狀，不利于實(shí)際使用過(guò)程的分離回收.為了解決分離這一問(wèn)題，以棉球?yàn)閮?nèi)核，制備一種類(lèi)中空顆粒污泥炭，探索其對(duì)廢水中亞甲基藍(lán)的吸附行為.結(jié)果表明，所得的類(lèi)中空顆粒污泥炭具有壓降低，比表面積高，對(duì)亞甲基藍(lán)吸附性能好的特點(diǎn)[5].

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)試劑

本實(shí)驗(yàn)所用的污泥為大坦沙污水處理廠的脫水污泥.所用小棉球購(gòu)買(mǎi)于九州誠(chéng)信醫(yī)療器械批發(fā)公司(中國(guó)).實(shí)驗(yàn)所用的氯化鋅等試劑購(gòu)買(mǎi)于廣州大茂試劑有限公司.實(shí)驗(yàn)污水取自大坦沙污水處理廠的二沉池出水，水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1　實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

1.2填料的制備

利用脫水后的污泥與5 mol·L-1氯化鋅溶液按照鋅泥質(zhì)量比3∶1混合，攪拌均勻，得到泥漿.將購(gòu)買(mǎi)的3～4 mm的棉花球放入配制好的泥漿中均勻翻滾1周，在棉花球表面涂裹上1層厚度約為1 mm的泥漿，再將濕泥球放入105 ℃干燥箱內(nèi)干燥12 h.干燥后將泥球放入石英方舟，置于通有流量為40 L·h-1氮?dú)獾目删幊坦苁诫娮锠t內(nèi)，以20 ℃·min-1的速率升溫到500 ℃碳化2 h，待爐內(nèi)溫度降至100 ℃左右后，將其取出，放入干燥器中冷卻至室溫后，放入250 mL的錐形瓶中，用5%鹽酸溶液清洗12 h去除無(wú)機(jī)化合物，再用去離子水反復(fù)沖洗至清洗液pH值達(dá)到7.所得產(chǎn)品直徑為2～3 mm的球狀顆粒.

1.3材料表征與分析

產(chǎn)品的外觀形貌采用JSM-6330F冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)觀察.樣品的孔結(jié)構(gòu)分布采用Auto-sorb-6吸附儀(美國(guó)Quantachrome公司)吸附氮?dú)膺M(jìn)行分析，得到氮?dú)馕?脫附等溫線.

1.4類(lèi)中空污泥炭填料BAF的構(gòu)建與運(yùn)行

圖1　生物填料反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2　結(jié)果與討論

2.1類(lèi)中空顆粒污泥炭的性質(zhì)

在不同的放大倍數(shù)條件下對(duì)類(lèi)中空顆粒污泥炭進(jìn)行SEM分析(圖2)，如圖2(a)所示，類(lèi)中空污泥炭表面粗糙，且分布豐富的孔結(jié)構(gòu)，其孔徑在50 μm左右.豐富的微孔結(jié)構(gòu)有利于生物膜附著生長(zhǎng)，且有利于提高傳質(zhì)與有效的接觸面積.圖2(b)可見(jiàn)，類(lèi)中空顆粒污泥炭的內(nèi)部是由一層層的棉纖維組成，起到骨架作用，支撐著外層的污泥炭殼維持一定的形狀與機(jī)械強(qiáng)度.圖2(c)和(d)可見(jiàn)，類(lèi)中空顆粒污泥炭表面的污泥炭外殼不僅分布著豐富的微米級(jí)的孔結(jié)構(gòu)，而且還分布著豐富的納米級(jí)別的孔隙結(jié)構(gòu).SEM分析結(jié)果直觀表明，所制備的填料是內(nèi)部棉花碳纖維為內(nèi)核，表面包裹不同級(jí)別豐富孔結(jié)構(gòu)的污泥炭殼的類(lèi)中空顆粒污泥炭.

圖2不同放大倍數(shù)條件下類(lèi)中空顆粒污泥炭的SEM分析Fig.2The SEM analysis of the hollow-like granular sludge carbon under varied magnification

(a)類(lèi)中空污泥炭顆粒的外觀；(b)類(lèi)中空污泥炭顆粒的橫截面照片；(c)污泥炭外殼局部放大800倍圖；(d)污泥炭外殼局部放大10 000倍圖

為了對(duì)類(lèi)中空顆粒污泥炭的比表面積和微觀孔結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的深入剖析，通過(guò)氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)對(duì)類(lèi)中空顆粒污泥炭進(jìn)行分析.所得吸附-脫附等溫線見(jiàn)圖3.顯然，此曲線符合I型吸附曲線[1]，即主要通過(guò)窄孔進(jìn)行吸附.其比表面積主要受內(nèi)比表面積控制，吸附容量由孔體積決定.通過(guò)BET方程計(jì)算得出，類(lèi)中空顆粒污泥炭的比表面積高達(dá)1 041 m2·g-1，微孔內(nèi)比表面積高達(dá)854.5 m2·g-1，約為其外比表面積的4.6倍.

圖4(a)與(b)分別給出DFT與BJH 方程計(jì)算所得的孔結(jié)構(gòu)分布.圖4可見(jiàn)，類(lèi)中空污泥炭主要分布有0.5～2.0 nm的微孔和3～20 nm的介孔.也就是說(shuō)，類(lèi)中空污泥炭表面不僅具有如圖2所示的微米級(jí)別的大孔，而且具備納米級(jí)別的微孔與介孔結(jié)構(gòu)，從而擁有很高的比表面積，其比表面積顯

圖3類(lèi)中空顆粒污泥碳的氮?dú)馕?脫附曲線

Fig.3Nitrogen ad-desorption isotherm curve of hollow-like granular sludge carbon

著大于實(shí)心顆粒的污泥炭和購(gòu)買(mǎi)的商業(yè)活性炭[8]，為微生物的生長(zhǎng)與接觸傳質(zhì)提供更便利的條件.

由于所得的顆粒污泥炭具有發(fā)達(dá)的孔隙與類(lèi)中空結(jié)構(gòu)，因此，所得的類(lèi)中空顆粒污泥炭的容重低至0.100 8 g·cm-3，而且其在不同流量下的壓降也顯著低于實(shí)心的顆粒污泥炭和購(gòu)買(mǎi)的商業(yè)活性碳[8].意味著類(lèi)中空顆粒污泥炭為填料的BAF在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較低的阻力，從而阻力損失最小.

2.2類(lèi)中空污泥炭與活性碳填料處理污水性能對(duì)比

(a)DFT孔徑分布曲線　　　　　　　　　　　(b)BJH脫附孔徑分布曲線

圖5　類(lèi)中空污泥炭與活性碳填料對(duì)污水平均處理效果的對(duì)比

Fig.5A comparison between the hollow-like granular sludge carbon and the activated carbon for the removal efficiency of the sewage

3　結(jié)　論

(1)通過(guò)熱解的方法可制備棉花碳纖維為內(nèi)核，污泥炭為外殼的類(lèi)中空顆粒污泥炭.所得類(lèi)中空顆粒污泥炭具有高比表面積，表面粗糙且孔隙率高、空隙率大、壓降小的特性，可為微生物提供更多的附著空間，使反應(yīng)器保持較多的微生物量，提高有機(jī)負(fù)荷.

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【責(zé)任編輯： 陳鋼】

Preparation and characterization of hollow-like granular sludge char as BAF filler

KONG Ling-juna, b, c, TAN Jun-jiea, CHEN Di-yuna, b

(a. School of Environmental Science and Engineering;b. Guangdong Provincial Key Laboratory of Radioactive Contamination Control and Resources;c. Guangdong Provincial Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Remediation Technology,Guangzhou University, Guangzhou 510006,China)

2016-05-28;

2016-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508116); 廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016A030310265); 廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(01607010311); 廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2016K0001)

孔令軍(1986-), 男, 講師, 博士. E-mail: kongljun@gzhu.edu.cn

. E-mail: cdy@gzhu.edu.cn

1671- 4229(2016)04-0079-04

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