剩余污泥與高爐礦渣等混合制備吸附劑制備條件探究

滕峰 李凡 陸文靈

收稿日期：2023-07-24

作者簡介：滕峰，男，本科，工程師，主要從事固體廢物污染防治工作。

通信作者：陸文靈，男，本科，工程師，主要從事生態環境監測工作。

摘 要：在氯化鋅活化和高溫碳化條件下，以活性污泥法處理生活污水產生的剩余污泥為主要原料，煉鐵高爐礦渣、甘蔗渣、煉鐵熟料和粉煤灰為輔料，按照53%∶20%∶13%∶7%∶7%的質量配比制取吸附劑，通過改變浸漬比、碳化溫度探究最佳制備條件。結果表明：在浸漬比為1∶1.5、碳化溫度850℃條件下，所制備的吸附劑對重金屬鎘吸附效果較好，吸附效率達89.87％。

關鍵詞：剩余污泥；吸附劑；浸漬比；碳化溫度；吸附效率

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）03-00-03

0 引言

隨著我國城鎮化率不斷提升，城市人口不斷增長，活性污泥法處理生活污水產生的剩余污泥量不斷增大，采用傳統的填埋、焚燒等方式處置會誘發土壤污染、惡臭擾民、占用土地等諸多問題，已不能滿足當前環境保護的需要[1]。為有效解決生活污水處理產生的剩余污泥末端處置瓶頸，基于其具有含碳物質和類凝膠結構特征[2]，從環境保護角度出發，探究剩余污泥的吸附劑制備活化、碳化溫度條件，對剩余污泥資源化利用具有重要意義。

1 研究內容與技術路線

剩余污泥類凝膠結構是指污水中懸浮無機顆粒、微生物分泌的有機物質通過不同方式膠結凝聚在一起，形成形狀各異、結構疏松、表面分布絨毛狀分支的網狀結構絮狀體，其富含大量多糖等有機物質，表面官能團能與重金屬離子進行離子交換[2]，具有較好的重金屬吸附劑制備基礎。在類凝膠結構的剩余污泥中添加甘蔗渣提高含碳量，添加煉鐵高爐礦渣、煉鐵熟料、粉煤灰等提升穩定性和吸附強度[3-5]，再經氯化鋅活化劑活化和高溫碳化增加孔隙度，即可制備出具有吸附重金屬能力的吸附劑。在吸附劑制備過程中，固定活化劑種類和碳化時間，采用單因素實驗法探究不同浸漬比、碳化溫度與吸附劑吸附重金屬能力的關系，可以確定吸附劑制備最佳浸漬比和碳化溫度條件，為剩余污泥制備吸附劑規模化生產提供參考依據。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗設備

本次實驗所用儀器設備分別為恒溫鼓風干燥機、土壤研磨與篩分機、智能馬弗爐、調速多功能振蕩器、臺式低速離心機及原子吸收光譜儀，設備具體型號與廠家見表1。

表1 實驗設備信息表

序號 設備名稱 型號 數量 生產廠家

1 電熱恒溫鼓風干燥機 5E-DHG 1 長沙開元儀器股份有限公司

2 土壤研磨與篩分機 YKT-04 1 長沙永樂康儀器設備有限公司

3 智能馬弗爐 5E-MF6100 1 長沙開元儀器股份有限公司

4 調速多用振蕩器 HY-2 1 常州國華電子有限公司

5 臺式低速離心機 L500-A 1 長沙高新計生戶產業開發區湘儀離心機儀器有限公司

6 原子吸收光譜儀 900Z 1 鉑金埃默爾儀器（上海）有限公司

2.2 實驗材料

本次實驗主要原料為活性污泥法處理生活污水產生的剩余污泥，輔料為煉鐵高爐礦渣、甘蔗渣、煉鐵熟料及粉煤灰，活化劑為氯化鋅（分析純），各實驗材料來源見表2。

表2 實驗材料信息表

序號 名稱 來源

1 剩余污泥 文山市生活污水處理廠

2 煉鐵高爐礦渣 硯山縣阿舍冶煉廠

3 甘蔗渣 文山市本地甘蔗渣

4 煉鐵熟料 硯山縣阿舍冶煉廠

5 粉煤灰 河南恒源新材料有限公司

6 氯化鋅 天津市風船化學試劑科技有限公司

2.3 操作設計

有實驗研究表明，在一定范圍內增加活化劑浸漬比值可提高吸附劑的孔隙結構，當比值<1時可制得微孔吸附劑，比值>1.5時可制得介孔吸附劑，比值由0.75增加到2.5時吸附劑的介孔數量可提高60%，比值達到3.5時可制得含有80%介孔分布的吸附劑[6]。劉濤等人研究吸附劑制備活化劑浸漬比宜控制在1∶1～1∶4范圍[7]，故本次實驗將浸漬比分別設定為1∶1.5、1∶2.5、1∶3.5，后期通過改變制備過程的碳化溫度，在不同條件下制備的吸附劑對重金屬鎘吸附效率，確定最優活化浸漬比和碳化溫度。

3 實驗結果

化學活化法制備吸附劑原理主要是制取活性炭以實現吸附效能，眾多研究表明活性炭吸附能力和孔徑分布受很多因素影響。本文主要通過改變氯化鋅與樣品配比（即浸漬比）在550℃、650℃、750℃及850℃碳化溫度條件下制取吸附劑，并以重金屬鎘為檢測指標，探討不同浸漬比、碳化溫度對吸附性能的影響。通過實驗得出不同浸漬比和碳化溫度條件下的吸附效能數據，詳見表4。

浸漬比即樣品與化學活化劑（如氯化鋅）的質量比，是化學活化法（包括氯化鋅活化法）制備吸附劑工藝過程中最重要的影響因素之一。譚作進等人研究，通過使用活化劑制備的吸附劑較不使用活化劑制備的吸附劑產率高6.27％，使用活化劑主要是利用腐蝕性增加樣品的孔隙度[8]。本實驗研究結果表明不同浸漬比制取的吸附劑對重金屬鎘的吸附能力有所不同，詳見圖1。

由圖1可知：①在同一碳化溫度條件下，隨著浸漬比不斷增大吸附劑對重金屬鎘的吸附能力隨之減小。②浸漬比為1∶1.5時制取的吸附劑吸附效能要優于浸漬比為1∶2.5、1∶3.5條件制取的吸附劑。

3.2 碳化溫度分析

碳化溫度是指將目標物質加熱至其分解為碳的最低溫度，研究表明增加碳化溫度可使制備吸附劑的比表面積增大、孔隙增多，可有效提升吸附效能[9]。本實驗研究結果表明不同碳化溫度制取的吸附劑對重金屬鎘的吸附能力不同，詳見圖1。

由圖1可知：①在同一浸漬比條件下，隨著碳化溫度的升高吸附劑對重金屬鎘的吸附能力隨之增大。②碳化溫度為850℃時制取的吸附劑吸附效能要優于碳化溫度為550℃、650℃、750℃條件下制取的吸附劑。

4 結論

（1）在使用2 mol/L氯化鋅為活化劑和碳化時間50 min條件下，通過單因素實驗得到剩余污泥與煉鐵高爐礦渣、甘蔗渣、煉鐵熟料、粉煤灰制取的重金屬鎘吸附劑較佳參數，即浸漬比為1∶1.5、碳化溫度為850℃時吸附效率可達89.87%。

（2）在同一碳化溫度條件下以浸漬比1∶1.5為基準，隨著浸漬比提高吸附劑對重金屬鎘吸附效能呈現降低趨勢。

（3）在同一浸漬比條件下以碳化溫度550℃為基準，隨著碳化溫度升高吸附劑對重金屬鎘吸附效能隨之增大。

5 討論

（1）本實驗設定的浸漬比及碳化溫度的條件得出的實驗結果尚未出現峰值拐點，仍存在一定的不確定性，可進一步優化實驗參數的設計，確定最佳活化浸漬比及碳化溫度。

（2）本實驗因實驗條件有限，所制備的吸附劑只對重金屬鎘吸附效能進行測試，吸附效能研究相對單一，后期可進一步拓展至砷、鉛、汞和鉻等有毒有害的重金屬，為吸附劑產業化生產提供更優科學依據，對重金屬污染減排和生態環境保護具有重大意義。

參考文獻：

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[4] 張發文，董明坤，陳辰慧，等.礦渣基改性劑對城市污泥重金屬穩定化[J].環境科學，2021（7）：1-14.

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[8] 譚作進.污泥制備生物質活性炭及其鎘吸附性能的研究[J].中國資源綜合利用，2020，38（12）：15-17.

[9] 姬江浩，胥思勤.污泥生物炭制備及應用研究進展[J].可持續發展，2021（5）：41-46.

Research on the Preparation Conditions of the Sorbent Using Mixed Sludge and Blast Furnace Slag

TENG Feng1， LI Fan2， LU Wen-ling3

（1.Wenshan Solid Waste Pollution Prevent， Wenshan Yunnan 663000， China）

Abstract： The sludge from activated sludge treatment of domestic sewage was the main material mixed with blast furnace slag and bagasse and ironmaking clinker and fly ash as accessory ingredients based on the quantity ratio of 53%∶20%∶13%∶7%∶7% to prepare sorbent under the condition of zinc chloride activation and high temperature carbonization. The tests were conducted by changing impregnation ratio， carbonization temperature to explore the optimal preparation condition . The results showed that the prepared sorbent had good absorption efficiency as 89.87% on cadmium metal under the condition of impregnation ratio as 1∶1.5 with the carbonization temperature as 850 centigrade.

Key words： sludge; sorbent; impregnation ratio; carbonization temperature; absorption efficiency