基于ZnCl2活化法的污泥基活性炭制備及其延緩MBR膜污染研究.pdf

1、城市污水廠污泥產(chǎn)量的顯著增長(zhǎng)及其帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。污泥處理的根本出路是資源化利用，而以污泥為原料制備活性炭技術(shù)是污泥資源化的重要發(fā)展方向之一。ZnCl2活化法因具有制備溫度低、制得活性炭產(chǎn)率高以及藥劑價(jià)格便宜且可回收利用等優(yōu)點(diǎn)而成為污泥基活性炭的主要制備方法。
　　ZnCl2活化法制備污泥基活性炭過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是經(jīng)ZnCl2浸漬的污泥的熱解過(guò)程。對(duì)經(jīng)ZnCl2浸漬的污泥的熱解特性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究不但有利于探究

2、污泥的熱解反應(yīng)機(jī)理，還可以揭示ZnCl2在污泥熱解過(guò)程中的作用機(jī)制，從而為ZnCl2活化法制備污泥基活性炭技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)作用。此外，目前對(duì)于ZnCl2活化法制備污泥基活性炭過(guò)程中熱解條件的控制及主要影響因素等問(wèn)題仍存在很大爭(zhēng)議。且制得污泥基活性炭在污水處理中的應(yīng)用仍較為局限，僅應(yīng)用于對(duì)有機(jī)污染物如染料、酚類(lèi)化合物等和無(wú)機(jī)重金屬離子的吸附去除中。
　　基于以上幾點(diǎn)，本研究首先采用熱重紅外聯(lián)用分析技術(shù)（TG-FTIR）以

3、及熱重質(zhì)譜聯(lián)用分析技術(shù)（TG-MS）分析了經(jīng)ZnCl2浸漬的污泥的熱解失重特性和熱解氣態(tài)產(chǎn)物，并在此基礎(chǔ)上研究了浸漬污泥的熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。同時(shí)通過(guò)對(duì)比未經(jīng)ZnCl2浸漬的污泥與浸漬污泥的熱解特性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，闡明了ZnCl2對(duì)污泥熱解過(guò)程的影響機(jī)制。結(jié)果表明：經(jīng)ZnCl2浸漬的污泥的熱解過(guò)程包含四個(gè)階段，分別為水分脫除及少部分有機(jī)揮發(fā)分解聚或分解、有機(jī)揮發(fā)分一次熱解、ZnCl2揮發(fā)及一次熱解中間產(chǎn)物和未分解有機(jī)揮發(fā)分熱解以及無(wú)機(jī)礦物質(zhì)分

4、解和固定碳燃盡。浸漬污泥的熱解氣態(tài)產(chǎn)物主要包括H2、H2O、CO2、CO、CH4以及C2H6、C3H6等輕質(zhì)烴類(lèi)化合物、C2H5OH等小分子醇類(lèi)物質(zhì)和小分子醛類(lèi)、酮類(lèi)、羧酸類(lèi)有機(jī)物。浸漬污泥的第一熱解階段和第三熱解階段符合一級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型，第二熱解階段符合二級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型，第四熱解階段符合三級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型。ZnCl2對(duì)污泥熱解過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在：促進(jìn)污泥的脫水并減少焦油的形成，促進(jìn)污泥中有機(jī)物質(zhì)的芳構(gòu)化以及一次熱解產(chǎn)物的二次熱解。

5、r>　　其次，本研究分析了ZnCl2活化法制備污泥基活性炭過(guò)程中相關(guān)因素（熱解溫度、熱解時(shí)間、活化劑濃度和浸漬比）對(duì)制得活性炭孔隙性能的影響，并采用正交試驗(yàn)法確定了各因素對(duì)活性炭孔隙性能的影響程度以及活性炭的最佳制備條件。同時(shí)利用比表面積及孔隙度分析儀、傅立葉紅外光譜等現(xiàn)代檢測(cè)分析方法研究了污泥基活性炭的物理化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明：在ZnCl2活化法制備污泥基活性炭過(guò)程中，熱解溫度對(duì)制得活性炭的孔隙性能影響最大，其次是熱解時(shí)間，再次是活化劑

6、濃度，最后是浸漬比；污泥基活性炭的最佳制備條件為熱解溫度550℃，熱解時(shí)間50min，活化劑濃度40wt％，浸漬比2.5；該條件下制得的污泥基活性炭的BET比表面積為397.90m2/g，孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主，活性炭表面含有羥基、胺基、醛基和羧基等官能團(tuán)，此外污泥經(jīng)ZnCl2活化法制備成活性炭后，其中的重金屬元素不穩(wěn)定態(tài)含量和比例減少，穩(wěn)定態(tài)含量和比例增加，重金屬元素穩(wěn)定性提高。
　　最后，本研究提出了污泥基活性炭應(yīng)用的一種新途徑，

7、利用污泥基活性炭來(lái)延緩膜生物反應(yīng)器（MBR）中的膜污染。向MBR中投加3g/L的污泥基活性炭，考察了污泥基活性炭對(duì)MBR的處理效果、污泥混合液性質(zhì)、膜表面性質(zhì)和膜污染的影響，明確了污泥基活性炭延緩MBR中膜污染的效能及機(jī)制。結(jié)果表明：污泥基活性炭對(duì)MBR的處理效果的改善作用不明顯，但可以明顯改善MBR中污泥混合液性質(zhì)和膜表面性質(zhì)，使污泥濃度增加6.90%，污泥顆粒平均粒徑增大8.89%，混合液粘度減小13.45%，混合液中EPS和SMP

8、含量分別減少17.83%和13.73%，混合液EPS和SMP中的p/c下降，污泥比阻減小6.26%，膜表面EPS含量減少9.27%，膜表面 EPS中的p/c下降，膜表面接觸角減小，膜表面泥餅層結(jié)構(gòu)更疏松，從而減緩了膜表面泥餅層的形成和增長(zhǎng)并減輕了膜孔內(nèi)的堵塞。投加污泥基活性炭后污泥混合液性質(zhì)和膜表面性質(zhì)的改變導(dǎo)致膜孔阻力Rp和膜表面泥餅層阻力Rc分別減少了22.95%和18.50%，且Rp和Rc的增長(zhǎng)速率分別減少22.22%和16.67