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粉煤灰应用于废水处理的研究进展【以废治废】

1  粉煤灰的综合利用

目前,粉煤灰在环境保护中可以用于生产建材、农业生产、烟气脱硫、隔声消声、废水废液处理等方面。粉煤灰在产生过程中形成了一定的多孔结构和较大的比表面积,而且自身呈碱性,具备为烟气脱硫系统提供碱性成分的能力,可以吸附烟气中的SO2,因此具有一定的脱硫效果。用粉煤灰制成的脱硫剂的脱硫效率要高于纯石灰脱硫剂,在适当的灰、石灰比和反应温度时,脱硫率可达到90%以上;以粉煤灰为原料制成的具有夹气层结构的GRC双层圆孔隔墙板,其隔声指数大于45dB,可达到国家一级隔声标准,接近24cm厚实心砖墙的隔声效果,能满足工程上的隔音降噪要求。70%粉煤灰、30%硅质粘土材料及发泡剂等混配后,经二次烧成工艺可制得粉煤灰泡沫玻璃,具有耐燃防水、保温隔热、吸音隔音等优良性能,可广泛用于隔热保温、吸声和装饰等工程中;粉煤灰作为废水处理剂,用于处理印染废水、重金属废水、含油废水、氮磷废水。本文主要综述粉煤灰在废水处理中的应用。

粉煤灰处理废液废水

2  粉煤灰处理废水的应用

2.1  印染废水

粉煤灰处理印染废水的机理主要是吸附作用,包括物理吸附和化学吸附。物理吸附指粉煤灰与吸附质间通过分子间引力产生吸附,这一作用取决于粉煤灰的多孔性和比表面积,比表面积越大吸附效果越好;化学吸附是指粉煤灰表面存在大量的铝、铁、硅等活性点能与吸附质通过某种化学作用发生结合形成离子交换和离子对的吸附。另一方面粉煤灰中的一些成分还能与废水中的有害物质发生吸附絮凝沉淀协同作用而使废水得以净化。此外由于粉煤灰是多种颗粒的混合物,空隙率较大废水通过粉煤灰时粉煤灰也能起到过滤截留一部分悬浮物的作用,但粉煤灰的混凝沉淀及过滤只能对吸附起补充作用并不能替代吸附的主导地位。

南京大学李磊等人以南京某热电厂的除尘干灰为原料制得粉煤灰混凝剂预处理印染废水。粉煤灰混凝剂是用粉煤灰、稀硫酸及氯化钠经加热搅拌制得的复盐型无机物,主要成分为Al3+、Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+及SO4+。其处理废水的机理包括混凝作用、物理吸附作用、助凝作用以及聚硅酸大分子的吸附架桥和网捕作用,印染废水COD去除率可达到70%以上,且这种方法处理的成本仅为无机混凝剂处理成本的10%~20%。

2.2  重金属离子废水

粉煤灰呈碱性,与水结合时pH值在10~13之间,表面带负电荷,因此可望通过沉淀或静电吸附来去除水中的重金属离子。

Cho 研究发现,粉煤灰可以作为重金属离子的吸附剂,当粉煤灰与水结合时,其pH值可达10~13,因此金属离子会在其表面沉淀。pH值在10左右,锌和镉离子沉淀速度快速增加;当pH值为11时,两种离子沉淀去除可达90%。铅离子在pH值为8时就会发生沉淀,在pH值大于9时,99%的铅会沉淀去除。铜离子发生沉淀的pH值甚至更低。当重金属离子浓度低于100mg/L时,4种金属离子的去除率分别为:锌86%~98%、铅96%~99%、镉51%~95%、铜60%~99%,去除率随pH增大而提高。

沈阳污水处理中心王大军等人以CaO为改性剂改性的粉煤灰作为吸附混凝剂处理含锌废水,对锌离子浓度在250mg/L以下的,按锌与粉煤灰质量比为1:200投加改性粉煤灰进行处理,锌去除率达98.7%以上,且该法对酸度适应范围宽,可直接处理pH4~11的含锌废水,处理后的废水可达排放标准。

2.3  含油废水

郝志涛等人利用粉煤灰吸附含油废水中的石油类物质,去除率可以达到70%~80%。试验得到的优化操作条件为:搅拌时间15min,转速300r/min,废水pH值为7.2~7.8,灰水比1∶50。

任立鹏等认为粉煤灰去除石油类物质的机理是由于炼油污水中的废油为非极性有机物,水溶性低,经裂解炉高温裂解后长链有机物减少,易于扩散穿过吸附剂外表面的薄膜而进入吸附剂内孔后形成浮渣便于从水中除去。

周珊等采用不同的方法对粉煤灰进行改性,并用得到的各种改性粉煤灰对含油废水进行处理。结果表明,经AlCl3和FeCl3改性处理的粉煤灰除油效果最好;在pH值为10、震荡吸附时间为30min、灰水质量比1∶10条件下,该改性粉煤灰的除油率可达96.36%,吸附等温方程式满足Langmuir型。

2.4  氮磷废水

含氮、磷废水的任意排放,会使得水域中藻类等植物大量繁殖,导致水体的富营养化,所以对含氮磷废水的处理很有必要。

Oguz采用粉煤灰来去除水中的磷酸盐,结果表明:粉煤灰对磷酸盐的最大吸附量为71.87mg/g,溶液中磷酸盐的去除率达99%。分析认为,粉煤灰颗粒和磷酸盐之间存在静电吸引作用,使吸附剂和磷酸盐发生沉淀和离子交换。

赵统刚等利用粉煤灰合成沸石,研究其在同步去除氮、磷方面的特性。研究发现该合成沸石去除氨氮和磷酸盐能力较强,对氨氮吸附机理为阳离子交换作用,对磷的去除除化学沉淀作用外尚有吸附机制。

彭喜花等人发现相比于用盐酸改性,硫酸改性后的粉煤灰除磷效果更好,可高达97.68%,其对磷的吸附更符合Freundlch吸附等温模型,既有物理吸附也有化学吸附,并以Ca、Mg等氧化物与磷形成磷的沉淀物为主。

3  粉煤灰处理废水应用存在的问题

(1)产生污泥。用粉煤灰处理一定数量的污染物会产生大量污泥,这表明粉煤灰的吸附容量十分有限,限制了传统粉煤灰在废水处理中的大规模应用。

(2)灰水分离率低。粉煤灰颗粒细小,用于处理废水时,存在灰水难以分离的情况,这将导致分离操作复杂,增加处理难度和操作费用。此外,粉煤灰处理所产生的灰水和污泥也可能导致二次污染,这也是该工艺难以大规模推广的因素之一。

(3)粉煤灰中重金属元素浸出。粉煤灰中除含Si、Al、Ca常量元素外,还含有多种微量有害重金属元素,将粉煤灰应用于水处理,这些重金属元素的浸出会带来新的污染。

(4)饱和粉煤灰处置。粉煤灰作为吸附剂,处理一段时间后,其吸附性能达到饱和。对于吸附饱和灰最终处置问题的研究目前尚未有一套成熟的处理方案,对于将吸附饱和灰作为水泥掺和料、混凝土及制砖等工艺的可行性研究较少。另外,若将吸附重金属后的饱和灰用于水泥掺和料等工业用途,其中含有的重金属是否会在雨水淋溶等特殊情况下发生形式上的转化而造成二次污染,这些问题都有待探究。

4  粉煤灰在水处理方面应用存在问题的改进建议

(1)改性粉煤灰的时候,可以用酸性或碱性的废渣废气废液来改性,可以实现环境效益与经济效益。同时制定系统的、适应范围较广、处理效果较好、污泥产率较低的改性粉煤灰生产方案。

(2)对于吸附饱和灰及其产生的污泥,干化后经处理可用做建筑材料。沿海地区,尤其是在江河入海口附近,可以考虑对其进行必要的无害化处理后投海处理,但要科学选址,保证海水的稀释与自净作用。

(3)粉煤灰中有一些未燃尽的炭粒,它的组成因燃烧效率的不同而异,未燃尽的炭粒可以作为活性炭等炭材料的原料加以利用。如何将粉煤灰中未燃尽的炭粒提取出来并加以利用是今后可能的研究方向之一。

5  粉煤灰潜在发展方向

5.1  粉煤灰改性

粉煤灰可以通过酸改性、碱改性、盐改性以及表面活性剂的改性达到增大比表面积提高活性的效果。例如,Wang等以HCI对粉煤灰进行改性,用来吸附去除水中的亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B这3种碱性染料,结果表明,HCI的改性使粉煤灰对3种染料的吸附性能提高,而且对亚甲基蓝的去除能力高于结晶紫和罗丹明B;用粉煤灰制成沸石,然后对其进行盐改性,分别得到了Ca、Mg、Al和Fe改性的沸石材料,并用这些改性材料来同时去除水中的氨氮和磷酸盐,结果发现经铝盐改性的沸石具有很好的同时去除氨氮和磷酸盐的能力;此外,经一种阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)改性后的粉煤灰对海面上漂浮的原油具有很好的去除能力。

5.2  粉煤灰与其他物质组合

朱洪涛等提出了用粉煤灰+过氧化氢组合处理印染废水,基于过氧化氢在酸碱性条件下都有较强的氧化性能破坏染料分子的结构使之失色,本身的还原产物为水,无二次污染。粉煤灰中的重金属氧化物对过氧化氢的分解有催化作用会使过氧化氢的氧化能力增强。

朱利霞等采用铁屑+粉煤灰的微电解法对高Cr6+地下水进行了处理, 该工艺利用粉煤灰中的炭与铁组成原电池,炭粒充当阴极,铁充当阳极。铁将地下水中的Cr6+还原成Cr3+,而铁则转变成Fe2+,铁离子具有絮凝作用,能够达到很好的净化效果。

5.3  制备新型粉煤灰复合混凝剂

充分利用粉煤灰中的Si、Al 和Fe,以粉煤灰为原料合成废水处理用混凝剂,是粉煤灰高附加值资源化利用的一个重要途径。

例如,西安建筑科技大学刘转年等人将粉煤灰经过超细球磨后再采用微波处理,制备新型高效混凝剂聚硅酸铝铁来处理印钞废水。无机高分子混凝剂聚硅酸铝铁兼有聚铝铁和聚硅酸混凝剂的优点, 同时具有电中和及卷扫网捕作用,又克服了聚硅酸的不稳定的缺点, 混凝剂所形成矾花大而密实,沉降性能好,呈现出良好的除浊效果。

5.4  粉煤灰与深度氧化技术结合

深度氧化技术是相对于常规氧化技术(氯气、二氧化氯、高锰酸钾、臭氧、过氧化氢)而言的,指在处理过程中充分利用自由基(如·OH)的活性快速彻底氧化有机污染物。粉煤灰与深度氧化技术结合,既可提高出水水质,又可减少粉煤灰的投放量,从而有助于减少污泥的生成。

深度氧化可分为化学氧化和光化学氧化,化学氧化有超临界氧化、O3/H2O2、Fenton 反应等, 光化学氧化有UV氧化、TiO2光催化氧化法等。

S.H.Chang 等用粉煤灰和Fenton 试剂联合处理罗丹明B废水,结果表明,单独使用粉煤灰只能去除54%的罗丹明B,而将二者结合起来,在酸性条件下,2min内罗丹明B的去除率即可达到97%,30min 内COD 去除率为72%。

 

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