污泥基生物炭对垃圾渗滤液的吸附性能研究*

吴春山1,3 黄富文1,3 刘文伟1,3 刘常青2,3 郭莹莹2 郑育毅1,3

(1.福建师范大学 环境科学与工程学院，福州 350007； 2.福建师范大学 地理科学学院，福州 350007；3.福建师范大学 环境科学研究所，福州 350007)

摘要：以城镇污水处理厂剩余污泥为原料制备生物炭，研究了其对垃圾渗滤液中污染物吸附性能，旨在探索市政污泥综合利用方法和“以废治废”的治理技术途径。结果表明：当生物炭投加量为20 g/L时，垃圾渗滤液的COD和TP去除效果最佳，去除率分别为36.76%和

-N去除率随生物炭投加量增加而增加；上述三者不同污染物去除的最佳反应接触时间分别为50 min、30 min和≥2 h；生物炭对重金属离子的吸附机理主要表现为离子交换作用。

关键词：生物炭；污泥基；垃圾渗滤液；吸附

0 引 言

城镇化进程加速使得城市生活垃圾产生量快速增长，卫生填埋技术是我国目前使用最广泛的垃圾处置方式[1]。填埋场垃圾渗滤液成分复杂，COD等有机污染物含量高，而且很多有机物难以被生物降解[2]，同时所含的金属离子和有毒有机物容易对微生物产生毒害[3]，垃圾渗滤液的妥善处理一直是卫生填埋场设计、运行和管理中非常棘手的问题。特别是随着填埋年限的增加，渗滤液中B/C下降，可生化性越来越差；氨氮浓度也随之增加，对生化系统产生抑制作用[4]。因此常规的污水处理工艺难以直接处理填埋场渗滤液，需要进行一定的预处理，吸附法是常用的垃圾渗滤液预处理方法之一[5]。活性炭具有发达的空隙结构、巨大的比表面积，对大部分污染物具有较强吸附性能，因此常用来作为吸附剂[6]。Halim A A[7]等实验得出椰子壳活性炭对垃圾渗滤液中的氨吸附能力为6.08 mg/g，对COD的吸附能力为37.88 mg/g。郑淑平等[3]研究活性炭联合PAC处理渗滤液时发现，当两者的投加量均为0.6 g/L时，对COD和UV254的去除率均优于单独投加0.6 g/L的 PAC，表明活性炭的吸附性能对有机物具有一定的去除作用。

与此同步，污水处理厂的剩余污泥也伴随城镇化进程逐年攀升。污泥中含有大量的难溶解有机物、盐类、致病性微生物和重金属，如果不进行适当处理会造成二次污染[8]。由于缺乏有效的技术途径，多数剩余污泥只进行脱水减容后，便进入垃圾填埋场进行填埋，这也给填埋场带来很多不良的影响，如渗滤液量增加、填埋堆体塌陷等。剩余污泥中含有大量的有机物，在其干化基础上进行碳化制备成具有吸附性能的生物炭，可充分发挥污泥的潜在价值。利用生物炭对垃圾渗滤液进行预处理，减轻垃圾渗滤液处理系统负荷，而吸附后生物炭再填埋处置。这既可解决污泥处置问题，也实现了“以废治废”的环保治理目标[9-12]，具有良好的环境、社会和经济效益。

本研究在前期实验工作基础上，利用福州某污水处理厂污泥为原料制备污泥基生物炭，探究该生物炭对垃圾渗滤液的预处理效果。

1 实验部分

1.1 材料来源

污泥生物炭制备原料取自福州某污水处理厂干化后的剩余污泥。污泥含水率为22.88%，灰分(干基)为60.88%。垃圾渗滤液取自福州某垃圾综合处理厂的垃圾渗滤液调节库，水质pH为7.3，其他指标如表1所示。

表1 垃圾渗滤液的水质指标

Table 1 Water quality index of landfill leachate mg/L

ρ(SS)ρ(COD)ρ(NH+4-N)ρ(TP)ρ(Zn)ρ(Cr)ρ(Pb)ρ(Cd)382288～3505518～73114.9～15.42.5920.188NDND

1.2 分析测试方法

实验中需测试的指标及其方法如表2所示。

表2 测试指标与方法

Table 2 Test index and test methods

测试指标测试方法污泥含水率与灰分CJ/T221—2005《城市污水处理厂污泥检验方法》生物炭碘值GB/T12496.8—1999《木质活性炭实验方法吸附碘值的测定》CODGB11914—1989《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》氨氮HJ553—2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》总磷GB11893—1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》垃圾渗滤液中重金属离子HJ776—2015《水质32种元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》

1.3 污泥基生物炭制备

将干化污泥研磨后过100目筛网，加入3 mol/L的KOH溶液进行活化，固液比为1∶3，浸泡24 h后置于干燥箱中烘干。烘干后的污泥放入坩埚，置于管式炉(ZY-Q)中，通入N2保护，在500 ℃下热解3 h。冷却后取出，用1 mol/L的HCl清洗产物5次，再用70～80 ℃的蒸馏水反复洗涤直至出水pH约为7后放入烘箱，在(105±5)℃下恒重后即得污泥基生物炭。经测定，本实验所制得的生物炭碘值为308.36 mg/g。

1.4 生物炭对渗滤液吸附实验

生物炭对渗滤液吸附实验的操作为：取50 mL的渗滤液置于250 mL的锥形瓶中，分别投入相应量的生物炭，再放入恒温振荡箱，经120 r/min振荡速度和相应时间的充分振荡接触后过滤，测定吸附后渗滤液的污染物指标，并按式(1)计算其相应去除率。

(1)

式中:Wc为去除率，%；c0和c1分别为吸附前后渗滤液中各污染物浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 生物炭对渗滤液中

-N、TP处理效果的影响

2.1.1 生物炭投加量

分别往加有50 mL渗滤液的锥形瓶中投加0.5，1，2，3，4 g生物炭。按1.4实验操作振荡24 h后测定上述实验组中渗滤液的

-N、TP，并同时设置1组50 mL的去离子水进行空白对照实验，实验结果如图1、图2所示。

—■—COD； —●

； —▲—TP。

图1 生物炭投加量对渗滤液

-N、TP去除率的影响

Fig.1 Effect of the dosage of biological carbon on removal

—■—COD； —●

； —▲—TP。

图2 空白实验组

的浓度变化

Fig.

blank experiment

由图1可知：COD和TP的去除率随生物炭投加量的增多呈现先升高后降低的趋势。初始阶段，三者的去除率均随生物炭的投加量增加而上升。当投加量为1 g时，TP和COD的去除率达到最大值，分别为78.36%和36.76%，之后去除率开始下降。究其原因，一方面是污泥生物炭投加量达到一定数值时，吸附反应已达到最终平衡，体系中污染物浓度不再降低。另一方面，通过空白实验表明，如图2所示，实验采用的生物炭中含有COD和磷，因此随着生物炭投加量的增加，反而使生物炭中的COD和磷溶出，导致COD和TP去除率下降。

由图1可知

-N的去除率均低于COD和TP，最大值仅为22.11%，其原因是高温制备的生物炭表面为非极性，对NH4+这类极性分子吸附能力较弱[13]。此外，在上述实验过程中，

-N去除率随生物炭投加量增加呈持续上升趋势。对比图2中空白实验组，虽然浸出液中也有测得较低浓度的

，但对实验结果影响很小。因此生物炭投加量越大，对

-N的吸附效果就越好。可见，如果针对性处理高浓度氨氮废水，比如晚期填埋场渗滤液，可以通过增加生物炭投加量，以降低渗滤液氨氮浓度，从而降低渗滤液处理难度并改善处理效果。

2.1.2 振荡时间

鉴于50 mL的渗滤液中生物活性炭投加量为1 g时对

-N的去除效果不明显，故采用对

-N、TP三者去除率都较好的3 g投加量进行实验，用于研究反应接触时间对

-N、TP去除效果的影响。设置反应时间分别为10，20，30，40，50，60，90，120，180 min，3种污染物指标的去除率如图3所示。

—■—COD； —●

； —▲—TP。

图3 反应时间对渗滤液

-N、TP去除效果的影响

Fig.3 The effect of oscillation time on the removal rate of COD,

由图3可以看出：随着反应时间的增加，COD和TP的去除率总体呈先增加后减少的变化趋势，两者分别在50，30 min时达到最佳吸附效果；

-N去除率则随着反应时间的增加保持上升趋势，最终趋于平缓。对于COD和TP而言，其去除率随振荡时间的变化，可能与生物炭中含有COD和TP有关，影响了吸附饱和后相对稳定的吸附与脱附平衡状态，从而导致反应时间延长时去除率产生波动且略有下降。

2.2 生物炭对渗滤液重金属含量的影响

垃圾渗滤液含有多种重金属离子，对生物处理过程会产生抑制作用[14]，因此本研究进行了生物炭投加量对重金属离子去除效果影响的相关实验，考察的重金属指标选取了渗滤液中有检出的Zn、Cr，相应实验结果如图4所示。

—■—Zn； —▼—Cr。

图4 生物炭投加量对渗滤液重金属离子浓度的影响

Fig.4 Effect of the dosage of biological carbon on concentrations of metal ions in the leachate

由图4可以看出：生物炭投加量对Zn、Cr 2种重金属离子浓度均有减少，但其变化趋势不同。Zn浓度随生物炭投加量增加先降低后升高，当投加量为2 g时浓度最低，低于检测限；Cr浓度随生物炭投加量增加而波动。2种重金属离子去除效果影响不一的原因：一方面是实验使用的污泥基生物炭中含有Zn、Cr，吸附实验过程中出现溶出现象；另一方面可能与生物炭对金属的吸附机理有关。

目前，大多学者认为活性炭对重金属吸附的机理主要有3种：重金属离子在活性炭表面沉积而发生物理吸附；重金属离子与活性炭表面含氧官能团之间发生化学吸附；重金属离子在活性炭表面发生离子交换吸附[15-17]。在本实验中，虽然3种机理均有存在，但主要是离子交换作用，使得实验中2种金属的变化趋势呈相反态势。

3 结 论

1)将该污水处理厂剩余污泥制得的生物炭用于垃圾渗滤液处理，对

-N、TP和重金属有一定的去除效果。

2)在50 mL渗滤液中投加1 g生物炭(即20 g/L)时，该生物炭对垃圾渗滤液中COD和TP去除效果最佳，去除率分别为36.76%和78.36%。对

-N去除率随生物炭投加量的增多而增加，当本实验的最大投加量为4 g(即80 g/L)时仍保持去除率上升趋势，这有利于处理晚期填埋场低碳高氮的渗滤液，通过增加生物炭投加量来降低渗滤液

-N浓度，从而降低渗滤液处理难度，提高处理效果。

3)反应时间对生物炭吸附渗滤液污染物有影响，去除COD、TP的最佳接触振荡时间分别为50，30 min，而

-N则不小于2 h。

4)该生物炭对垃圾渗滤液中重金属有一定的去除效果，去除机理主要表现为离子交换作用。

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STUDY ON ADSORPTION PROPERTIES OF SLUDGE-BASED BIOLOGICAL CARBON TO LANDFILL LEACHATE

WU Chun-shan1,3, HUANG Fu-wen1,3, LIU Wen-wei1,3, LIU Chang-qing2,3, GUO Ying-ying2, ZHENG Yu-yi1,3

(1.College of Environmental Science and Engineering，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China；2.College of Geographical Science，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China;3.Institute of Environmental Science，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China)

Abstract：This study prepared biological carbon on the basis of sludge from urban sewage treatment plant, aimed at figuring out the adsorption properties of sludge-based biological carbon (a kind of adsorbent) to remove pollutants in landfill leachate, deeply explored the way of sludge’s comprehensive utilization and the treatment technology so called “waste control by waste”. The results showed that: The best removal rates of COD and TP were 36.76% and 78.36% respectively when the amount of biological carbon dosage was 20 g/L. Meanwhile, the removal effect of

-N increased with the increase of the biological carbon dosage. The best reaction time of the process for removing COD, TP and

-N were 50 min, 30 min and not less than 2 h, respectively. The main adsorption mechanism of biological carbon for removing heavy metal was ion exchange.

Keywords：biological carbon; sludge-based; landfill leachate; adsorption

*福建省科技厅重大专项(2014YZ0002-1，2015YZ0001-1)；福建省自然科学基金项目(2015J 01187，2016J 05115，2016J 05096)。

收稿日期：2016-07-03

DOI：10.13205/j.hjgc.201702001

第一作者：吴春山(1971-)，男，高级工程师，主要研究方向为环境评价与污染治理。[e-mail]

通信作者：刘文伟(1973-)，工程师，主要从事污染治理研究。[e-mail]