净水污泥/硅酸钠复合吸附剂及其制备方法与在处理水体中氨氮中的应用

本发明属于污水处理技术，具体涉及净水污泥/硅酸钠复合吸附剂及其制备方法与在去除水中氨氮中的应用。

背景技术：

氨氮是水体中的主要耗氧物污染物之一，当处理不当、含有过量氨氮的家庭或工业废水排放到河流中时，往往会导致水体富营养化和水质恶化问题。此外，过度施肥的农田在雨水作用下引起氨氮渗漏到地下水系中，对水生生态系统造成严重的破坏。此外，氨氮受生物硝化作用形成硝酸盐，当亚硝酸盐的浓度超过10mg∙l^-1对人体健康有害。同时水中氨氮含量的增加也会引发藻类和细菌增长，进一步消耗水中的溶解氧，使水体变黑变臭。

净水污泥是自来水处理厂沉降和过滤洗涤过程中产生的副产物，每年从自来水处理厂产生的净水污泥日益增多，产量巨大，若处理不当，将净水污泥直接排放或者填埋不仅会浪费净水污泥中的有用资源，还会对环境造成新的污染。随着净水污泥产量的增加和相关环境标准的日趋严格，净水污泥的处理已经成为了日益严峻的挑战。

早期对净水污泥的处理主要以直接排放和填埋为主，不仅会导致排放区域的河床上升，河道堵塞，其中的铝盐和一些重金属粒子会引起动植物中毒和死亡，在人体内富集造成病变，影响人类生存，对生态环境造成长期污染和破坏。随着环境污染的加剧和相关环境保护政策的实施，国内外对净水污泥的处理采取相当重视的态度。目前对净水污泥的处理主要是将其无害化处理，在此基础上进行资源化利用成为了目前研究的主要趋势。

目前国内外将重点放在了如何回收利用净水污泥上。将净水污泥进行资源化利用，不仅能够解决净水污泥带来的污染问题，还能节约成本，产生经济效益，有着良好的前景。目前对净水污泥的研究主要集中在对水中有毒物质的吸附性能上。

技术实现要素：

本发明采用如下技术方案：

净水污泥/硅酸钠复合吸附剂，其制备方法包括以下步骤，将粉末状净水污泥与硅酸钠水溶液混合后静置，得到沉淀物，然后将沉淀物水洗至中性后造粒，得到净水污泥/硅酸钠复合粒子；再将净水污泥/硅酸钠复合粒子干燥、焙烧，得到净水污泥/硅酸钠复合吸附剂。

处理氨氮水体的方法，包括以下步骤，将粉末状净水污泥与硅酸钠水溶液混合后静置，得到沉淀物，然后将沉淀物水洗至中性后造粒，得到净水污泥/硅酸钠复合粒子；再将净水污泥/硅酸钠复合粒子干燥、焙烧，得到净水污泥/硅酸钠复合吸附剂；将净水污泥/硅酸钠复合吸附剂加入含氨氮水体中，完成氨氮水体的处理。

本发明净水污泥/硅酸钠复合吸附剂在吸附过程中，表面吸附，离子吸附和表面粒子配位反应同时进行，尤其经过高温焙烧后孔隙率增加，有较强的吸附能力。因此本发明公开了上述净水污泥/硅酸钠复合吸附剂在处理水体中氨氮中的应用。

本发明中，粉末状净水污泥与硅酸钠水溶液的用量比为1g∶25ml；硅酸钠水溶液的质量浓度为0.5%～12%，优选5%～10%。

本发明中，混合为常温振荡混合1.5～2.5h，具体振荡为常规技术，能够混合物料即可；焙烧的温度为200～500℃，优选300～400℃；时间为3～5小时，优选4小时。

本发明中，粉末状净水污泥的粒径为100～200目。

本发明中，处理氨氮水体时，净水污泥/硅酸钠复合吸附剂与含氨氮水体的用量比为（10～40）g∶1l；优选（20～30）g∶1l。

本发明净水污泥/硅酸钠复合吸附剂含有sio2和al2o3，具有片层状结构，对氨氮具有好的吸附效果。另外，净水污泥经高温焙烧后片层状结构更加松散，孔隙率增加，比表面积变大，有利于吸附的进行；经过硅酸钠改性后，na⁺取代了净水污泥中原子半径较大的ca²⁺和k⁺，具有更小的空间位阻，从而使硅酸钠改性后的净水污泥对nh4⁺的吸附量增大。

附图说明

图1为净水污泥/硅酸钠复合吸附剂的实物照片；

图2为净水污泥吸附剂、净水污泥/硅酸钠复合吸附剂的xrd图谱；

图3为净水污泥吸附剂(a)和净水污泥/硅酸钠复合吸附剂(b)的sem图。

具体实施方式

本发明净水污泥/硅酸钠复合吸附剂的制备方法如下，将粉末状净水污泥与硅酸钠水溶液混合后静置，得到沉淀物，然后将沉淀物水洗至中性后造粒，得到净水污泥/硅酸钠复合粒子；再将净水污泥/硅酸钠复合粒子干燥、焙烧，得到净水污泥/硅酸钠复合吸附剂。

本发明处理氨氮水体的方法如下，将粉末状净水污泥与硅酸钠水溶液混合后静置，得到沉淀物，然后将沉淀物水洗至中性后造粒，得到净水污泥/硅酸钠复合粒子；再将净水污泥/硅酸钠复合粒子干燥、焙烧，得到净水污泥/硅酸钠复合吸附剂；将净水污泥/硅酸钠复合吸附剂加入氨氮水体中，完成氨氮水体的处理；所得对nh4⁺的吸附量、吸附率为三次平行实验的平均值（误差符合要求）

用自来水厂取来的净水污泥（现有原料）在100℃下干燥24h，然后经粉碎机粉碎，取粒径100～200目的颗粒作为粉末状净水污泥，用于以下实施例、对比例。本发明仅以净水污泥与硅酸钠（na2sio3·9h2o）为原料，无需其他原料，经过混合、造粒、干燥、焙烧，得到净水污泥/硅酸钠复合吸附剂，具有好的氨氮处理效果。本发明的原料都是常规产品，具体操作方法以及测试方法都为常规技术，振荡、煅烧都在常规空气环境下进行。

实施例

在2500ml不同质量浓度硅酸钠水溶液中加入100g的上述粉末状净水污泥，常温常规振荡2h；再静置沉降，吸去上层清液，用蒸馏水将下层沉淀清洗至中性（酸碱值中性），再放入造粒机中常规挤出成型，得到净水污泥/硅酸钠复合粒子；然后于105℃将净水污泥/硅酸钠复合粒子烘干，再放入马弗炉中以不同的温度焙烧4小时（以16℃/min的升温速率由室温升温至焙烧温度，再保温4小时，空气环境），制备成净水污泥/硅酸钠复合吸附剂，实物照片见图1，焙烧后为棕色；表1为实施例参数以及氨氮处理结果。

对比例

粉末状净水污泥用造粒机挤出成型（常规加水，为造粒常识），得到净水污泥粒子；然后于105℃将净水污泥粒子烘干，再放入马弗炉中以350℃焙烧4小时（以16℃/min的升温速率由室温升温至350℃，再保温4小时，空气环境），制备成净水污泥吸附剂；表1为实施例参数以及氨氮处理结果，为第七组。

氨氮模拟水样的配制

用50mg∙l^-1的氯化铵水溶液来模拟实际废水；用纳氏试剂-分光光度法对氨氮的浓度进行测定。依次分别称取1g吸附剂，放入不同锥形瓶中，随后分别加入50ml先前配制好的氨氮模拟水样，将锥形瓶常温振荡12h（振荡速率为120r/min）后静置，用一次性滴管吸取5ml离心，取1ml上层清液进行吸光度测定，计算出不同改性条件下吸附剂对nh4⁺的吸附量，结果如表1所示。

用50mg∙l^-1的氯化铵水溶液来模拟实际废水；用纳氏试剂-分光光度法对氨氮的浓度进行测定。称取1.5g组6的净水污泥/硅酸钠复合吸附剂（5%、400℃煅烧），放入锥形瓶中，随后加入50ml先前配制好的氨氮模拟水样，将锥形瓶常温振荡12h（振荡速率为120r/min）后静置，用一次性滴管吸取约5ml离心，取1ml上层清液进行吸光度测定，计算出不同吸附剂用量条件下改性净水污泥对nh4⁺的去除率，结果为95.1%；1g组6的净水污泥/硅酸钠复合吸附剂（5%、400℃煅烧）对nh4⁺的去除率为91.6%；0.5g组6的净水污泥/硅酸钠复合吸附剂（5%、400℃煅烧）对nh4⁺的去除率为67.5%。

以本课题组现有的、现有市售20目至60目的沸石吸附剂进行比较，本发明实施例（组1至组6）的净水污泥/硅酸钠复合吸附剂对nh4⁺的去除率都明显优于市售20目至60目的沸石吸附剂。

从图2可以看出，净水污泥/硅酸钠复合吸附剂（组一）包括sio2和al2o3结构。净水污泥内部晶体结构中的氧原子还未饱和，因此带有负电荷，对nh4⁺产生静电吸引；经过硅酸钠改性后，na⁺取代了净水污泥中原子半径较大的ca²⁺和k⁺，具有更小的空间位阻，从而使硅酸钠改性后的净水污泥对nh4⁺的吸附量增大。

从图3可以看出，净水污泥原来是结构紧密的片状结构，交错层叠在一起。在经过高温煅烧后，净水污泥紧密的片层状结构明显受到了破坏，结构疏松并且产生了较大的孔隙，这是因为净水污泥在高温焙烧下水分挥发，有机物减少，形成了孔隙。经过硅酸钠改性后的净水污泥（组一）平层状结构更加松散，孔隙变大，这是由于硅酸钠中的na⁺与净水污泥中的金属活性位点进行了交换，na⁺的原子半径更小，因此形成了更大的孔隙，同时也破坏了原有晶格结构，使平层状的结构更加松散。