呂　晶，樊　靜，徐建玲，侯瑞鋒，雷連彩，王漢席

(1.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130117； 2.河南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007； 3.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 4.北京工商大學(xué)理學(xué)院，北京 100048)

農(nóng)村生活污水產(chǎn)量大、分布范圍廣，對環(huán)境的污染較嚴(yán)重且難管理.農(nóng)村生活污水主要來源于廚房洗涮、洗浴、洗滌等產(chǎn)生的廢水，其中，廚房洗涮廢水中含有大量油污；洗浴和洗滌用水含多種洗滌劑和個人護(hù)理品等化學(xué)物質(zhì)，如表面活性劑、磷、重金屬、染料等，如何采用經(jīng)濟(jì)可行的方法將家庭生活污水凈化，是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).[1-3]

家庭生活污水中有機(jī)質(zhì)污染物含量高，氮、磷、化學(xué)需氧量(COD)等含量超過我國地表水Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)，而去除污水中的有機(jī)污染物、改善水質(zhì)是污水處理的重點(diǎn).[4]水中有機(jī)污染物的處理包括萃取、氧化還原、生物處理等方法，但存在成本高、易產(chǎn)生二次污染和技術(shù)繁雜等缺點(diǎn).吸附法操作簡單且處理效果較好，是有效的凈水途徑，但常用的吸附材料多數(shù)存在成本高、使用周期短、再生成本高等弊端，限制了吸附法的應(yīng)用.因此，選取和開發(fā)廉價、易得、凈化效果好的吸附材料一直是研究的重點(diǎn)[5].

吸附法對生活污水凈化效果明顯，其物理和化學(xué)作用可降低污水的COD、色度、臭、氨氮、總磷等指標(biāo)，而如何選擇吸附材料是處理的關(guān)鍵.[6-8]有研究[9-10]表明，花生殼、鋼渣等常見廢棄物對生活廢水的氮、磷和重金屬具有吸附作用，可實(shí)現(xiàn)廢物資源化利用.

花生殼作為花生加工的副產(chǎn)物，常被用做燃料和動物飼料，若能用于處理生活污水，將大大提高其利用空間.花生殼的主要成分有粗纖維、礦物質(zhì)及原花青素、白藜蘆醇等生物活性物質(zhì)，對污水具有一定的吸附作用.[11]生活污水因受廢舊電池污染，銅、鉛和鋅等含量較高，而花生殼作為一種天然生物吸附劑，對其吸附效果明顯.[12-14]此外，相關(guān)文獻(xiàn)顯示，花生殼對磷和染料具有良好吸附性能，可有效凈化洗衣廢水.[15-17]

常用的吸附劑中，活性炭吸附效果較好，但其制備成本高且再生困難的缺點(diǎn)限制了其使用，發(fā)現(xiàn)成本低且吸附效果好的吸附劑代替活性炭具有重要意義.[18]木炭原料豐富、價格低廉且吸附性強(qiáng)，是常見廢棄物.研究[19-20]表明，木炭的吸附量與其比表面積成正比，對堿和酸的吸附性較強(qiáng)，且對COD、總磷、氨氮的吸附性明顯，可用于處理生活污水.

爐渣是現(xiàn)代工業(yè)或家庭燃料燃燒產(chǎn)生的副產(chǎn)物，產(chǎn)量大，主要用于路基材料和建筑材料，利用率較低.研究[21-22]表明，爐渣的比表面積較大且表面多孔，其成分中含大量的Al、Si等活性物質(zhì)，吸附能力較強(qiáng)；此外，爐渣還可有效除去生活污水中的色度、臭味、有機(jī)質(zhì)、重金屬等污染物質(zhì).而爐渣粉具有較高的吸附活性，能夠有效去除家庭生活污水的磷.[23-25]

鋼渣是在煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢物，每年排放量較大，但利用率較低.調(diào)查[26-28]顯示，中國每年排渣增長量多達(dá)上萬噸，堆放占用土地資源、污染土壤環(huán)境甚至造成生態(tài)破壞，因此，研究鋼渣的資源化利用具有重要意義.鋼渣的表面多孔、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3等，吸附性能較好，是優(yōu)良的吸附材料.[29-30]鋼渣對廢水中磷、氨氮、COD、某些染料、鉻、鉛等具有較好的吸附性，其中，對磷和染料的吸附性能力尤為顯著，研究[31-32]表明，鋼渣在工業(yè)廢水和生活廢水處理中對磷的去除率較高.鋼渣對一些染料的吸附效果顯著，甚至優(yōu)于活性炭等濾料，利用鋼渣對含大量磷、染料、氨氮等的廚房和洗滌廢水、被鉛汞電池污染的生活污水進(jìn)行吸附處理，效果明顯.[33-34]

綜上，采用花生殼、木炭、爐渣、鋼渣等工農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物作為生活污水吸附材料，開展水處理研究具有重要意義.本文設(shè)計了多種處理方案，通過對COD、色度、臭氣、氨氮和總磷等水質(zhì)指標(biāo)的測定，評價了這些固體廢棄物的處理效果，以為廢物資源化利用及農(nóng)村家庭生活污水處理、達(dá)標(biāo)排放和再利用提供有效途徑.

1　材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)儀器

5B-3F型COD快速測定儀(蘭州連華環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn))；比色皿；5B-1F消解器；具塞比色管(50 mL)；1 000 W變阻電爐；分光光度計；pH計；電子天平(精確度0.000 1 g)；ds-360石墨消解儀；紅外加熱爐；智能恒溫水??；722型光柵分光光度計；立式壓力蒸汽滅菌器；高壓反應(yīng)釜；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(220 V，50 Hz，1 040 W，50℃～200℃溫度范圍).

1.2　實(shí)驗(yàn)藥品

酒石酸銻鉀(KSbC4H4O7·1/2H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、四水合鉬酸銨(鉬酸銨(NH4)6Mo7O2·4H20)、抗壞血酸(C6H8O6)、過二硫酸鉀(過硫酸鉀K2S2O8)、硫酸、氫氧化鈉，分析純；多聚磷酸鈉(Na5P3010)，化學(xué)純；COD專用試劑D-100(固態(tài)晶體粉末，蘭州連華環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn))；COD專用試劑E-100(固態(tài)晶體粉末，蘭州連華環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)).

1.3　實(shí)驗(yàn)試劑

D-100試劑：將整瓶D-100專用試劑倒入燒杯，加硫酸(AR)5 mL、去離子水75 mL，攪拌全溶為橘紅色的透明溶液.

E-100試劑：將整瓶E-100專用試劑倒入燒杯，加入500 mL硫酸(AR)，攪拌全溶為無色的透明液體.

無臭味的水：硫代硫酸鈉溶液滴定含氯的水去除氯，煮沸，蒸去1/10體積.

色度為500的鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)溶液；200 mL鉬酸鹽溶液；50 mL過硫酸鉀溶液；50 mL抗壞血酸溶液；無氨水環(huán)境配置的納氏試劑和酒石酸鉀鈉溶液.

1.4　實(shí)驗(yàn)方法

選取花生殼、木炭、爐渣、鋼渣以及木炭、爐渣和鋼渣(3∶1∶1配比)的混合材料共5種吸附材料，其中鋼渣、木炭和爐渣的混合方式采用自上到下分層混合，其厚度分別為3，9，3 cm.分別將制備的吸附材料對家庭生活污水進(jìn)行吸附處理24 h，凈化后的水樣，先后進(jìn)行化學(xué)需氧量(COD)、色度、臭、氨氮、總磷的測定，根據(jù)測定的指標(biāo)分析并確定進(jìn)一步的研究測定指標(biāo)，最后分析凈化效果.

實(shí)際操作時，對5種材料凈化后的水樣首先進(jìn)行化學(xué)需氧量(COD)的測定，取效果良好的水樣再測定色度和臭度，綜合比較后，取最佳水樣進(jìn)一步進(jìn)行氨氮和總磷的測定，最后綜合分析5種材料的凈水效果，從而得出相關(guān)的資源化利用效果.

1.4.1COD測定

取蒸餾水和各個試樣2.5 mL，順次加0.7 mL的D-100和4.8 mL的E-100試劑，混合，消解，冷卻后利用5B-3F型COD快速測定儀測定樣品COD.

1.4.2鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法測定色度

取數(shù)支比色管，加各待測試樣5.00 mL后，稀釋到50.0 mL，將其放到白板上，觀察其色度.[35]

1.4.3感官分析法測定臭

取各水樣于錐形瓶中，溫?zé)岬?0℃左右，振蕩后靠近瓶口用鼻子聞其氣味，用“強(qiáng)”“較強(qiáng)”“弱”“較弱”“微弱”等程度詞語描述水樣中臭的強(qiáng)度.[35]

1.4.4納氏試劑光度法測定氨氮

將各個試樣絮凝沉淀，使其氨氮含量達(dá)到0.1 mg以下，取一定量于50 mL比色管中標(biāo)定，加KNaC4H4O6·4H2O溶液；取樣品餾出液于比色管中加適量NaOH溶液中和硼酸，稀釋標(biāo)定；加納氏試劑混合；用20 mm光程的比色皿，在420 nm波長下測量各試樣的吸光度.[35]

1.4.5鉬酸銨分光光度法測定總磷含量

取50 mL的比色管，加各試樣1 mL后稀釋到25 mL，各加4 mL的過硫酸鉀，進(jìn)行加熱消解；冷卻后加水約至40 mL，向各消解溶液中加1 mL的C6H8O6溶液并混合，30 s后加2 mL的鉬酸鹽溶液并稀釋標(biāo)定，在室溫下顯色15 min，利用分光光度計在700 nm波長處測量各試樣的吸光度.[35]

2　結(jié)果

2.1　吸附后水樣的COD

圖1　原水與各種吸附材料吸附后的水樣中COD測定結(jié)果

原水(河南師范大學(xué)家屬院居民區(qū)生活污水水樣)中COD為63.08 mg/L，5種材料吸附處理原水后水樣中COD的測定結(jié)果見圖1.由圖1可見，花生殼吸附過的家庭生活污水的COD達(dá)到676.00 mg/L；鋼渣吸附過的家庭生活污水COD測定值略有升高；爐渣吸附過的生活污水COD測定值有一定程度的下降，但去除率僅有10.99%，去除效果為一般；木炭吸附過的家庭生活污水COD測定值降低最大，去除率達(dá)到67.42%；木炭、爐渣和鋼渣的混合材料吸附過的家庭生活污水COD測定值下降幅度適中，去除率為56.47%.

2.2　吸附后水樣的色度

不同材料吸附后水樣色度的測定結(jié)果見表1.由表1可見，木炭吸附過的家庭生活污水色度加深；爐渣和鋼渣吸附過的家庭生活污水色度都有所減弱；木炭、爐渣和鋼渣的混合材料吸附過的家庭生活污水，色度測定值下降幅度較大.

表1　色度的測定結(jié)果

注：0 原水(河南師范大學(xué)家屬院居民區(qū)生活污水水樣)；1 鋼渣吸附后的水樣；2 爐渣吸附后的水樣；3 混合材料吸附后的水樣；4 木炭吸附后的水樣.下同.

2.3　吸附后水樣的臭度

不同材料吸附后水樣臭度的測定結(jié)果見表2.由表2可見，爐渣、鋼渣、木炭以及木炭、爐渣和鋼渣的混合材料吸附過的家庭生活污水，臭度均降低.其中，混合材料吸附過的家庭生活污水的臭度測定值最低.

表2　臭度的測定結(jié)果

2.4　混合材料吸附后水樣的氨氮和總磷

圖2　混合材料吸附后水樣的氨氮和總磷的質(zhì)量濃度

由圖1、表2可見，木炭、爐渣和鋼渣的混合材料對污水COD、色度、臭度的處理效果都比較明顯.混合材料吸附后水樣中氨氮和總磷的質(zhì)量濃度測定結(jié)果見圖2.所取原水(河南師范大學(xué)家屬院居民區(qū)生活污水水樣)中氨氮的質(zhì)量濃度為14.845 mg/L，總磷為9.339 mg/L，由圖2可見，木炭、爐渣和鋼渣的混合材料吸附過的家庭生活污水，氨氮和總磷質(zhì)量濃度降低幅度均很大，去除率分別達(dá)到84.87%和92.89%.

3　討論

3.1　不同吸附材料對生活污水中COD的影響

以花生殼為吸附材料處理后的家庭生活污水中COD的含量大幅度增加，這可能是由于花生殼本身是有機(jī)物，吸附過程中在水動力條件的影響下，部分花生殼殘渣直接進(jìn)入水體；同時花生殼自身的部分成分在吸附浸泡的過程中也會溶解到水體當(dāng)中，從而使最終的測定值增加，其結(jié)果值相當(dāng)于原水中COD和花生殼中COD的總和，因此，不能采用該材料為處理家庭生活污水的吸附材料.

目前，關(guān)于鋼渣處理污水中COD的研究較少，有研究[29]表明，直接用鋼渣吸附污水中COD的效果并不理想，最高去除率僅為27%左右.而在本研究中，鋼渣吸附材料質(zhì)地光滑堅硬，吸附點(diǎn)位相對較少，從而對家庭生活污水中的COD幾乎無去除效果.爐渣的成分鋁在水中形成的氫氧化物是良好的絮凝劑，可對水中有機(jī)物產(chǎn)生絮凝作用，從而對污水起到凈化效果，但爐渣通常粒徑較小、吸水性較強(qiáng)而通透性較差，在水中容易凝結(jié)成塊狀，故直接將爐渣做吸附劑處理污水的凈化效果會受到一定影響.[36]本研究中的爐渣吸附材料對生活污水中COD的去除效果一般，但較鋼渣有所提高.

木炭作為一種典型的生物質(zhì)炭，比表面積較大且表面的含氧活性基團(tuán)較多，對污水有機(jī)物具有較大的吸附能力和吸附容量.有研究[37-38]表明，木炭對污水中COD的吸附效果明顯，較長時間的吸附后，效果可高于活性炭，去除率可達(dá)60%～90%.本研究中，木炭對污水中COD的去除率達(dá)到了67.42%，可見，木炭是去除家庭生活污水中COD的理想材料.

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，木炭密度較小易漂浮于水面上，無法浸沒在水體中，與水體接觸面積較小，影響吸附效率.而鋼渣具有較大的硬度和孔隙率，將爐渣與鋼渣混合成顆粒狀，可提高其吸附過程中的滲透速率.因此，木炭、爐渣和鋼渣的混合材料，結(jié)合了爐渣和鋼渣混合顆粒較高的滲透率及木炭較高的吸附率的特點(diǎn)，對污水中COD的去除率達(dá)到了較好的效果.由此可見，混合材料對家庭生活污水中COD具有較好的去除作用，有一定的應(yīng)用前景.

3.2　不同材料吸附后水樣色度的比較分析

由于花生殼本身會增加生活污水中COD的濃度，故不對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究.對鋼渣、爐渣、木炭及混合材料吸附凈化后水樣的色度進(jìn)行測定后發(fā)現(xiàn)，盡管木炭對污水中COD的去除效果較好，但木炭是黑炭的一種，其本身含有“炭黑”，[20]若單獨(dú)采用出水較渾濁，有大量的炭黑懸浮于水體當(dāng)中，會加深家庭生活污水中的色度，故不應(yīng)該單獨(dú)采用木炭為吸附材料.鋼渣密度較大，爐渣質(zhì)地疏松空隙較小，本研究中爐渣和鋼渣吸附過的家庭生活污水色度均有所減小.將鋼渣、木炭和爐渣混合后，木炭層上方的鋼渣可將木炭壓入水體，同時其下方的爐渣也可將木炭溶出的炭黑顆粒過濾吸附掉，使出水較為澄清.因此，木炭、爐渣和鋼渣的混合材料對家庭生活污水色度的處理效果最佳，應(yīng)該著重進(jìn)行研究.

3.3　混合材料對臭度的吸附效果

爐渣、鋼渣、木炭以及木炭、爐渣和鋼渣的混合材料均能減弱家庭生活污水的臭度，但混合材料綜合了3種材料的吸附優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了對污水中臭味的吸附性能，使吸附過的污水臭度更理想，這進(jìn)一步說明混合材料對凈化家庭生活污水顯著的優(yōu)越性.

3.4　混合材料對氨氮和總磷的去除效果

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)采用鋼渣吸附過的家庭生活污水，COD略有升高，色度、臭度有所下降；單獨(dú)采用爐渣吸附過的家庭生活污水，COD稍有下降，色度、臭度有所下降，但多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其會腐蝕裝置管道而形成二次污染；單獨(dú)采用木炭吸附過的家庭生活污水，COD下降較大，但其色度加深；而混合材料對家庭生活污水中COD、色度、臭度的處理效果都比較理想，克服了各材料單獨(dú)使用出現(xiàn)的缺點(diǎn)，除此之外，該混合材料可有效去除家庭生活污水中氨氮和總磷的含量，是一種理想的家庭生活污水凈化劑，對其進(jìn)行進(jìn)一步研究具有重要意義.

4　結(jié)論

花生殼等有機(jī)物不能去除污水中的COD，原因是大多數(shù)有機(jī)物吸附劑，如植物殼皮，其本身對COD貢獻(xiàn)很大，不宜作去除家庭生活污水中COD的吸附劑，因此得不到相應(yīng)的資源化利用.木炭作為吸附材料，可有效去除污水中的COD，具有較強(qiáng)的資源化利用性.鋼渣作為吸附材料，可較為有效地改善水質(zhì)，具有良好的資源化利用性.以爐渣為吸附材料，可有效改善水質(zhì)，資源化利用性較強(qiáng).而木炭、爐渣和鋼渣的混合材料，是一種理想的家庭生活污水凈化劑，其資源化利用的效果最理想.

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