沸石在微污染水處理中的應用研究

何雨亭 李文敏 彭卓輝

【摘要】隨著社會經濟的發展，全球用水量逐漸增加，水資源逐漸緊缺。我國飲用水水源水質形勢嚴峻，現有水廠的常規處理工藝已經不能保證出水水質，因此尋求高效、實用、經濟的水處理方法具有十分重要的現實意義。本文著重介紹沸石在微污染水處理中的應用和各種改性沸石、生物沸石在微污染源水、生活污水和工業廢水處理中的應用研究進展，以及與其他處理工藝組合后對微污染水體處理的協同效果。并對其在水處理中的應用前景作出展望。

【關鍵詞】沸石；微污染水；組合工藝

1、我國微污染水源水現狀

微污染水源水是指受到工農業和生活污水污染，其中部分項目超過《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中Ⅲ類水體規定標準的飲用水源水。主要指受有機物污染的水源水，有機污染物一部分來源于生活性有機污染，其主要污染指標為高錳酸鹽指數和氨氮。另一部分來源于工業性有機污染，其主要污染指標為人工合成有機物（ SOC），SOC種類繁多，對飲用水水質和人體健康危害較大。

2、沸石在微污染水處理中應用

2.1沸石去除水中氨氮

水體中含有較高的氨氮化合物會導致藻類等微生物的快速、不受控的生長繁殖，會消耗水中大量的溶解氧，從而引起對水體中其他動植物造成毒害作用的富營養化。在給水管網中，氨氮濃度過高會增加消毒劑的用量，同時還會引起輸水管線中微生物繁殖，對輸水管線造成腐蝕的危害。自來水中氨氮含量過高，水中的亞硝酸鹽量增高，同時會增加水廠的耗氯量，從而增加水中氯仿濃度，亞硝酸鹽及氯仿均為危害人體健康的有害物質。沸石通過對氨氮中的陽離子進行離子交換作用而消除水體中的氨氮類化合物。其反應式為：

R-M++NH4+R-NH4++M+

式中：R—沸石；M一沸石中的金屬離子。沸石可以以普通過濾的方式或生物過濾的方式來處理水中的氨氮[3]。

用沸石處理高濃度氨氮廢水已有工程實例。研究表明，用沸石去除水中的氨氮等污染物存在一突出矛盾：沸石粒徑越小，交換容量越高，去除效果越好，但太小則易隨出水流失，影響出水水質、增大裝置的水頭損失。李曄、肖文俊等制備了改性微孔沸石、進行了去除微污染水源中氨氮的實驗研究，將用NaCl改性處理后的沸石燒制成球形顆粒，處理氨氮濃度10mg/L的模擬廢水，發現去除率高達91%，并且經10次再生后去除率僅僅下降2%。

2.2沸石去除水中氟

我國高氟水分布廣泛，對人體危害甚大。目前，降氟方法很多，但均存在一定的弊端，活化沸石作為一種新型降氟材料正越來越受到水處理研究工作者的青睞。聞建平、程有普等用MgSO4改性適于氟的去除，沸石活化后對氟離子的吸附量約為未活化的3.97倍。胡麗娟、周琪等用Al2（ SO4）3溶液活化沸石降氟，發現吸附反應較快，其最佳pH值范圍為5.5～6.5；再生液pH值在小于4或大于11時再生效果良好。采用動態實驗考察，結果表明活化沸石比天然沸石的除氟容量提高了65%，采用2%的Al2（ SO4）3浸泡再生，再生率約為80%，且多次再生后沸石柱除氟效率保持穩定。也有人采用氯化鎂為活化劑，用濃度20%的氯化鎂溶液浸泡沸石2d，控制pH在6-8范圍內，粒徑為35～30目時，鎂型活化沸石的除氟容量可達14mgF/g沸石，經沸石處理后的水質各項指標均能達到國家飲用水標準。

2.3沸石去除水中有機物

飲用水中的有機污染物成分極其復雜，通常有烷烴類、苯類、酚類等。不少有機污染物對人體有毒害作用，包括致癌、致畸、致突變作用。天然水體中最常見的有機物是腐殖質，腐殖質是土壤的有機組份，對人體健康危害不大，但可與水中其它有機污染物一起在氯化消毒過程中產生氯仿、四氯化碳等有機氯化物等有害人類健康的消毒副產物（THMs）。沸石易吸附小分子極性有機物，二氯甲烷、三氯甲烷、三氯乙烷、四氯乙烷、三溴甲烷都是極性小分子或較小分子的有機物，屬于沸石易吸附之列。

2.4沸石軟化水

天然沸石由于其本身的構架結構和配位鍵的不平衡決定其可以作為陽離子交換劑使用。以食鹽水溶液作為沸石的改型處理劑，在加溫條件下作動態處理，其作為離子交換劑的使用價值和交換能力的大小更為理想。按體積效應，沸石中的Ca2+、Mg2+等二價離子被Na+還原置換后，由于小離子Na+通過沸石內部通道和孔隙時，空間位阻小，比較容易進人通道，并向通道內擴散，且內擴散速度較快，這就使沸石具有更大的離子交換能力和軟化水能力。

2.5沸石去除水中苯、砷

郭煥曉、王彥斌、邱熔處等進行了去除微污染水中苯的效果研究，發現天然沸石在常溫、常壓下經過化學溶液的活化處理，可改變吸附有機物的效果，通過NaCl活化后的沸石對苯有一定的去除效果，同時使濾池兼有過濾去除水中濁度、細菌的作用，而且還具有去除水中有毒的重金屬離子和部分溶解性苯。

普紅平、江喆等用稀土改性沸石球對水中的砷進行了去除研究，研制了改性稀土（ LaCl3） 改性微孔沸石顆粒，發現當含砷濃度為10mg/L時，投加量 8g/L，砷的去除率高達95%以上，并可反復再生使用。制備條件是：pH 值為10，固液比1： 25投加沸石，浸漬2～3h，于500～600℃下焙燒1h，用木炭粉粘合劑燒制成顆粒球。

3、沸石新興組合工藝技術

近年來，人們不斷的研究新的方法，對沸石的使用不再局限于使用化學藥劑進行改性和活化上，而是提出了更多和其它工藝相結合的組合工藝。

3.1沸石與生物組合處理微污染水

生物沸石用于微污染水源水的處理不僅能有效去除微污染水中的有機物、氨氮，而且對水中的鐵、錳、藻類等也有較好的去除效果。

生物沸石反應器具有和生物活性炭、生物陶粒一樣的性能。在生物膜掛膜初期，氨氮的去除率很高，這時沸石表面尚未形成生物膜，對氨氮的高去除率主要是得益于沸石的吸附和離子交換性。在掛膜中期，由于沸石表面的按離子濃度比較高，硝化菌在沸石表面充分生長，此時離子交換和硝化反應同時起作用。但此時微生物的作用還比較弱，沸石的吸附容量接近飽和，所以在掛膜中期，氨氮的去除效率比較低。掛膜的末期，硝化作用增強，氨氮的去除效率接近穩定。也有人提出將生物沸石和陶粒等其它過濾材料結合起來對微污染水進行處理，可以收到比單獨生物陶粒濾床更好的效果。近幾年，許多研究者直接利用天然沸石或者改性沸石以及生物沸石處理微污染水，取得較好的處理效果。

3.1.1生物沸石在微污染水源水處理中的應用

胥紅等采用曝氣生物沸石濾柱為反應器形式，通過長期連續的動態運行，重點研究低含量氨氮在生物沸石反應器運行不同階段的去除和轉化以及影響因素。結果表明，水力停留時間越長，對氨氮的去除效果越好，水力停留時間為 24 min時，較為經濟合理；隨著進水氨氮濃度的降低，氨氮去除率下降，進水氨氮的質量濃度低于2 mg/L時，生物沸石柱出現氨氮解吸現象；采用間歇曝氣方式，既不影響硝化作用又節約能耗；反應最佳pH值為7.2～7.4。

王云波、譚萬春等將臭氧氧化、沸石吸附和生物過濾方法結合起來，采用臭氧-生物沸石工藝處理微污染水中的有機物，研究臭氧-生物沸石組合工藝中各獨立單元及組合工藝去除有機污染物的效果，并分析了組合單元之間的相互影響，確定組合工藝在處理有機微污染物中的效能比例。實驗結果表明臭氧-生物沸石工藝可以有效去除微污染水體中的有機物。在生物膜培養成熟后，CODMn平均去除率為45.5%，大于臭氧氧化和生物沸石獨立單元去除效率的加和。

3.1.2生物沸石在生活污水處理中的應用

張曦等研究了生物沸石床對模擬村鎮生活污水中各形態氮及COD等污染物的去除效果。結果表明，生物沸石床對氨氮去除效果明顯且穩定，去除率大于95%，對硝酸鹽氮的去除則受水力停留時間的影響較大。

朱丹研究結果表明，生物沸石床對氨氮，硝酸鹽氮，TN，COD均有不同程度的去除，對氨氮的去除作用尤為明顯，最大可達97.07%。

GISVOLD B等用2個相同的上流生物過濾床處理生活廢水，進行中試試驗，結果表明，利用沸石作生物濾池的濾料，在高氨氮負荷率時，沸石濾料對氨氮的去除率高于對比組；在低氨氮負荷率時，沸石濾料吸附的氨氮發生了硝化作用，沸石得到了再生，為硝化生物過濾節省費用。

3.1.3生物沸石在工業廢水處理中的應用

焦化廢水含有揮發酚、多環芳烴、硫氮等雜環化合物，組成復雜，是一種 COD、酚、氨氮含量高且處理難度較大的一種有機工業廢水。絕大多數焦化企業對焦化廢水的處理效果不理想，出水COD濃度高，對氨氮污染幾乎沒有處理性能，沸石生物膜系統處理焦化廢水成為一個重要的研究方向。

丁磊對缺氧-好氧沸石生物膜系統處理焦化廢水的啟動性能及該系統的處理效果進行了研究。結果表明，該系統的啟動終點與常規的生物膜系統有顯著不同，應以氨氮的生物硝化去除率在 70%以上，同時COD的去除率達到60%以上時，才可認為啟動基本完成。在流量為1.0 L/h，回流比為2.0，溫度為30 ～ 38 ℃，總停留時間50h的工藝條件下，該生物膜系統對COD和氨氮的去除率分別可達67.03%和97.12%。

3.2沸石與活性炭組合處理微污染水

沸石的比表面積沒有活性炭大，活性炭對有機物的吸附作用基本是通過色散力而達成，而沸石還有靜電力的作用，因此沸石對有機污染物的吸附作用比活性炭強，吸附后不易脫落。且因沸石內部存在靜電力，使沸石能夠對不飽和、極性和容易被極化的分子具有選擇吸附的作用。

沸石可以和活性炭或者臭氧聯合使用達到優勢互補的效果。由于沸石對氨氮、極性有機物有較好的去除能力；而非極性吸附劑活性炭對大部分有機物有良好的去除效果，兩者的吸附性能具有互補性，可組合使用對微污染原水進行深度處理。利用沸石、活性炭聯合吸附工藝處理原水，其工藝流程為：原水—沸石吸附柱—活性炭吸附柱—出水，沸石為用NaCl活化后、粒徑0.5～1.0mm的沸石顆粒。試驗表明，該工藝CODMn、濁度、氨氮、三氯甲烷的去除率分別在10%、60%、95%和40%以上，對水中苯酚、陰離子洗滌劑（ LAS） 和三氯甲烷的去除率分別在60%、89%、99%以上。除此以外，沸石與活性炭組合使用可減少活性炭濾層反沖洗和活化次數，延長活性炭使用壽命，降低制水成本。

4、總結

隨著水質分析技術逐漸改進，水源和飲用水中能夠測得的微量污染物質的種類也不斷增加。水污染不僅給人類的健康帶來了較大的危害， 而且對傳統凈水工藝和水質造成很大影響。隨著人民生活質量的不斷提高，人們對飲用水水質的要求將更加嚴格，供水水質標準也要不斷提高。針對源水中出現的新污染問題，利用沸石的性能優勢，用于治理日益嚴重的水污染問題，必將會產生巨大的社會、經濟效應。我們利用活化沸石以及其相應組合工藝處理微污染問題還遠遠不夠，還要在節約保護水資源的同時不斷研究開發治理水污染現狀的解決方法和維護措施。緩解我國水資源短缺和水污染的嚴峻形勢，促進水資源的開發、利用、保護和管理。

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