污水廠污泥制備水處理活性炭的工藝參數研究

胡 濤

(太原市排水管理處,山西 太原 030006)

引 言

近年來，隨著在城市生產和生活的人數越來越多，每天所產生城市污水的量也越來越多，對應的污水處理廠的數量以及污水廠的處理能力也在不斷提升。城市排放污水量的增加，所產生的污泥量也在不斷增加，污泥中含有豐富的氮、磷等富營養有機物、重金屬以及各種可致病的微生物。因此，若對城市污水中的污泥處理不當會污染環境。傳統污泥的處理方式主要有土地填埋、焚燒、海洋排放等，上述方法在當前環境標準更加嚴格的時代已不適用[1]。鑒于污泥中富含有機物和營養物質，可對污泥進行資源化的處理。本文著重研究污泥制備活性炭的工藝參數進行研究。

1 污泥處理技術現狀分析

污泥是生活污水或者工業廢水中沉淀物、顆粒物以及漂浮物的總稱。污水中所含污泥量的不同與其對應的所采取的污泥處理工藝也不同。隨著我國經濟水平及城市工業化的發展，污水廠數量及處理能力的不斷提升，所產生污泥的量也在不斷增長。污泥中富含微生物、纖維、動植物殘體等。若對污泥處理不當會對環境造成二次污染[2]。

污泥處理的主要目的是將污泥的性質更加穩定、避免其對環境造成污染以及對污染的再利用。針對城市污水中污泥的典型處理流程，如圖1所示。

圖1 典型污泥處理流程

如圖1所示，對城市污水中污泥的典型處理流程經歷了儲存、濃縮、穩定、條路、脫水、干化以及最終處置等。

針對城市污水中傳統的處置方法包括有：填埋、焚燒、海洋投放以及土地利用等。上述處置方法未將污泥中的有害物質、重金屬以及可致病的微生物進行處理，存在對污泥處置場所周邊環境二次污染的隱患。因此，傳統針對污泥的處置方法與當前可持續發展和環境保護的標準相背離。

鑒于污泥中含有豐富的有機物和營養物質，可通過對污泥資源化的處理方式在解決污泥污染環境的同時，還回收了污泥中的能源。目前，針對污泥資源化可將污泥制備成所需的油、建材、燃料、吸附材料以及堆肥等[3]。

2 基于污泥制備活性炭

在綜合分析當前已應用于污泥制備活性炭的方法，由于微波輻照加熱具有加熱速度快、操作方便以及效率高的特點。本文擬采用微波輻照加熱的方法制備活性炭，為進一步提升活性炭的制備效率在反應中加入適量的ZnCl2。基于微波輻照加熱法制備活性炭的工藝流程，如第196頁圖2所示。

如圖2所示，基于微波輻照加熱法制備活性炭時需將污水中污泥進行脫水處理；而后加入適量的ZnCl2將污泥進行活化處理；將活化處理后的污泥進行干燥(烘箱設置溫度為105 ℃，烘干時間為24 h)和破碎處理，在對其進行微波輻照加熱處理(在提前注氮3 min完成過后，保持注氮的流量為0.1 L/min～0.3 L/min)后進一步采用鹽酸浸泡(浸泡時間為24 h)、蒸餾水清洗(蒸餾水溫度為70 ℃)等工序。為確定制備活性炭的最佳工藝參數，將不同工藝參數下所得活性炭研磨處理后對其性能進行分析[4]。

圖2 微波輻照加熱法制備活性炭

基于微波法制備活性炭的工藝裝置，如圖3所示。

圖3 微波法制備活性炭工藝裝置

3 污泥制備活性炭工藝參數研究

通過對比不同參數所得活性炭的吸附能力最終確定污泥制備活性炭的工藝參數，主要研究的參數包括有活化劑、微波輻照時間、微波輻照時間以及污泥與活化劑的比例。本試驗采用“控制變量”的研究方法，即每次僅對一個工藝參數進行研究。

3.1 活化劑的確定

結合目前工業生產中所使用活化劑的類型，本試驗將對比氯化鋅、氫氧化鉀、磷酸以及硫酸四種活化劑對所制得活性炭的吸附能力進行對比分析。此外，活化劑與污泥的比例為1∶1；微波輻照的功率為500 W；微波輻照的時間為280 s。

經對不同活化劑下所得活性炭的吸附能力進行對比可知，基于氯化鋅制備所得活性炭的吸附能力為416.48 mg/g；基于氫氧化鉀制備所得活性炭的吸附能力為253.36 mg/g；基于磷酸制備所得活性炭的吸附能力為312.75 mg/g；基于硫酸制備所得活性炭的吸附能力為380.63 mg/g。

因此，在微波輻照時間、時間以及活化劑與污泥比例一定的前提下，基于氯化鋅制備所得活性炭的吸附能力最佳。

3.2 微波輻照時間的確定

本組試驗是在污泥與活化劑比例為1∶1，微波輻照時間為300 s，活化劑為氯化鋅的基礎條件下完成的，分析在微波輻照功率為400 W、450 W、500 W、550 W以及600 W的條件下制備所得活性炭的吸附能力。

經試驗可得：當微波輻照功率為400 W時制備所得活性炭的吸附能力為365.44 mg/g；當微波輻照功率為450 W時制備所得活性炭的吸附能力為431.81 mg/g；當微波輻照功率為500 W時制備所得活性炭的吸附能力為487.67 mg/g；當微波輻照功率為550 W時制備所得活性炭的吸附能力為454.47 mg/g；當微波輻照功率為600 W時制備所得活性炭的吸附能力為436.14 mg/g。

因此，在污泥與活化劑比例、微波輻照時間以及活化劑一定的條件下，當微波輻照功率為500 W時制備所得活性炭的吸附能力最強。

3.3 微波輻照時間的確定

本組試驗是在污泥與活化劑比例為1:1，微波輻照功率為500 W，活化劑為氯化鋅的基礎條件下完成的，分析在微波輻照時間為240 s、260 s、280 s、300 s以及320 s的條件下制備所得活性炭的吸附能力。

經試驗可得：當微波輻照時間為240 s時制備所得活性炭的吸附能力為369.67 mg/g；當微波輻照時間為260 s時制備所得活性炭的吸附能力為398.53 mg/g；當微波輻照時間為280 s時制備所得活性炭的吸附能力為439.42 mg/g；當微波輻照時間為300 s時制備所得活性炭的吸附能力為487.67 mg/g；當微波輻照時間為320s時制備所得活性炭的吸附能力為449.26 mg/g。

因此，在污泥與活化劑比例、微波輻照功率了以及活化劑一定的條件下，當微波輻照時間為300 s時制備所得活性炭的吸附能力最強。

3.4 污泥與活化劑的比例

本組試驗是在輻照時間為300 s，微波輻照功率為500 W，活化劑為氯化鋅的基礎條件下完成的，分析在污泥與活化劑的比例為5∶3、5∶4、5∶5、5∶6、5∶7的條件下制備所得活性炭的吸附能力。

經試驗可得：當污泥與活化劑比例為5:3時制備所得活性炭的吸附能力為408.76 mg/g；當污泥與活化劑比例為5∶4時制備所得活性炭的吸附能力為4 mg/g；當污泥與活化劑比例為5∶5時制備所得活性炭的吸附能力為487.67 mg/g；當污泥與活化劑比例為5∶6時制備所得活性炭的吸附能力為434.84 mg/g；當污泥與活化劑比例為5∶7時制備所得活性炭的吸附能力為396.91 mg/g。

因此，在微波輻照時間、微波輻照功率了以及活化劑一定的條件下，當污泥與活化劑比例為5∶5時制備所得活性炭的吸附能力最強。

4 結結

污泥作為城市污水處理后的產物，其中含有大量的有害物質、重金屬以及可致病的微生物，若處置不當會造成對環境的二次污染。由于傳統污泥處置手段與當前環境保護的標準不符，因此將污泥資源化為其當前的主要處理方式[5]。將污泥制備成活性炭，并經試驗研究可知，當采用微波輻照制備法時：活化劑為氯化鋅，微波輻照功率為500 W，微波輻照時間為300 s、活化劑與污泥的比例為5:5時所制備活性炭的吸附能力最強。