粉煤灰在水处理中的应用

0引言
粉煤灰主要是来源于火电厂与各种燃煤锅炉的一种工业固体废弃物。据统计，我国早在1997年粉煤灰产生量就达12629万t，目前粉煤灰年排放量约100Mt以上，占世界排放量的30%，占工业固体废物总产生量的17.3%，其中在电力、煤气及水的生产供应行业中，粉煤灰的产生量为5557万t，占全国各行业粉煤灰总产生量的45%，堆存粉煤灰量约6亿t。粉煤灰的排放不仅占用了大量耕地，而且由于粉煤灰质轻粒细，极易随风飞扬，随水漂浮，造成水土流失和环境污染，因此，粉煤灰的综合利用，是近几年国内外环保研究领域的热点之一。目前，粉煤灰在建材制品、建筑工程、道路工程等方面已有了较广泛的应用，约占其总利用率的70%以上。由于粉煤灰独特的物理化学性质及其本身低廉的价格，使其在废水处理方面具有广阔的应用前景。本文就粉煤灰在水处理中的应用进行讨论。
1粉煤灰的物理化学特性
煤在高温燃烧形成粉煤灰时可认为是一个二次人工成矿过程，由于过程的特殊性，粉煤灰以富铝玻璃体存在，是一种松散的固体集合物，由硅、铝、铁、钙、镁等元素的氧化物(主要是SiO2和Al2O3，另有Fe2O3、CaO、MgO)以及一些微量元素、稀有元素组成的细颗粒，还含有少量未燃烧或燃烧不完全的细小黑色不透明、形状不规则的炭粒，为海绵状和空心玻璃球状(占30%～80%)，比重为2.15～2.36g/cm3，容重为562～947kg/m3，比表面积为3183～3980cm2/g，强度可达7000kg/m2。由于粉煤灰中含有许多不规则形状的玻璃状颗粒，这些颗粒中还含有不同数量的微小气泡和微小活性通道，因此粉煤灰表面呈多孔结构，孔隙率一般为60%～70%，比表面积较大，表面上的原子力都呈未饱和状态，使得粉煤灰具有较高的比表面能和较好的表面活性。此外，粉煤灰中还含有少量沸石、活性炭等具有交换特性的微粒，同时又富含铝和硅等元素。这样就使得粉煤灰具有很强的物理吸附和化学吸附性能。
2粉煤灰在废水处理中的应用
由于粉煤灰的化学组成和多孔结构，具有较大的比表面积和静电吸附作用，使粉煤灰具有一定的吸附能力，可有效地去除废水中的COD、BOD5、色度、重金属等；粉煤灰富含铝、铁等元素，经过化学浸取能够从粉煤灰中浸取铝和铁元素，并能在粉煤灰颗粒表面产生更多的活性通道。浸取的活性Al3+、Fe3+和活性硅酸，经相应的聚合复配处理后，可代替传统的聚合铁、铝等混凝剂而成为一种新型高效的絮凝剂；此外，粉煤灰在絮凝过程中有协同效应，作为助凝剂，粉煤灰为絮凝提供了凝聚晶核，为絮体的迅速长大创造了条件。又因粉煤灰本身密度大，当粉煤灰颗粒卷入矾花后，能增加絮体的密度，加速矾花的沉降速度。因此，粉煤灰作为吸附剂、絮凝剂、助凝剂在水处理中有着广泛的用途。
2.1粉煤灰处理城市生活污水
董树军〔1〕利用粉煤灰处理城市生活污水，COD去
除30%～50%，BOD5可更高一些，色度90%～98%，重金属30%～90%(视重金属种类而异)，对无机磷、有机磷也有相当的去除作用。如哈尔滨马家沟粉煤灰处理城市生活污水示范工程〔2〕，投资300元/m3，投资仅为二级生物处理法的1/3，运行费用仅为其1/5。
2.2粉煤灰处理重金属废水
据报道，〔3〕粉煤灰对于Hg(Ⅱ)的吸附效果甚至比活性炭好，去除率可达99.99%。处理费用约为0.4元/t左右。废水达标后，可直接排放，无二次污染，达到“以废治废"的目的。此外，粉煤灰在适宜条件下对Cu(Ⅱ)的去除率十分有效。曾芳〔4〕利用改性粉煤灰作吸附剂对淀粉、含油、制革、染色、重金属废水处理效果很好，且处理成本低廉。用盐酸浸泡粉煤灰联合亚铁离子处理电镀废水中的重金属离子，平均去除率较高(96.4%)。去除率分别是：Cr6+97.3%、Cu2+97.2%、Zn2+98.3%、Ni2+92.6%。日本利用粉煤灰的凝聚特性和吸附特性，将其制成新中和剂处理含铁、锰、锌等重金属的矿山废水。试验表明，与消石灰相比，其用量较少，达到预定pH值的时间少2倍以上，产生的中和沉淀物的数量减少12%。对粉煤灰进行表面处理或与其他药剂复配后将具有更好和更广的适用性。
2.3粉煤灰处理染色废水
隋智慧研究发现粉煤灰基混凝剂投加量在60～80mg/L、pH值6～9时，脱色率可达85%以上，在适宜pH范围内，粉煤灰基混凝剂的混凝脱色效果明显优于A12(S04)3和FeC13混凝剂。阎存仙等研究了粉煤灰对活性染料、酸性染料、直接染料、阳离子染料、硫化染料和还原染料的脱色能力，确定了脱色为91%～99%时的工艺条件：加灰量0.04～0.08g/mL，振荡吸附时间3h，pH为2～10，废水浓度10～600mg/L。朱洪涛等利用粉煤灰和过氧化氢联合处理印染废水，结果表明该方法对印染废水脱色率达90%，COD去除率达70%，是一种良好的印染废水预处理剂。印度G.S.Gupta等人对去除水溶液中铬黄染料进行了实验研究。结果表明，低吸附浓度、小粒径粉煤灰吸附剂在酸性条件下有利于从溶液中去除铬黄染料。哈尔滨已建成4000t/d规模的印染废水粉煤灰脱色工业装置(采用固定床吸附过滤运行方式)。
2.4粉煤灰处理造纸、化纤废水
郝红〔8〕研究发现灰水比为1：20-1∶15的冲灰水与COD浓度为330mg/L的造纸厂废水充分掺混、沉降，3d后COD浓度可达100mg/L以下，BOD5、SS、pH、色度(经合适的工艺处理)等指标均能达到国家一级排放的要求。加拿大AlbertSaskatchewan省建立了一座中试厂处理造纸染色废水，运行3a，结果表明，粉煤灰脱色率稳定在90%，TOC去除率56%，BOD5去除率18%，最优运行pH在4.6～5.0间。我国保定建立了粉煤灰处理造纸、化纤废水的示范工程，对废水中COD、BOD5、色度的去除率分别为74%、85%、94%。
2.5粉煤灰处理含氟废水
张警声通过实验发现含氟废水浓度在100～400mg/L范围内，粉煤灰对氟的吸附去除率为50%～60%，故可用于高氟水的预处理。TzimouTsitouridou等研究发现1kg粉煤灰处理含F190mg/L的污水，F去除率可达80%以上。
2.6粉煤灰处理含油废水
郝志涛〔11〕利用粉煤灰吸附去除采油废水中的石油类和COD，去除率分别为70%～80%和20%左右。实验发现粉煤灰处理采油废水试验的较优操作条件：搅拌时间15min，转速300r/min，废水pH7.2～7.8，灰水比为1：50用粉煤灰处理废乳化液、电厂含油污水，除油率可达99%以上，取得了良好的经济效益、环境效益和社会效益。
3结语
粉煤灰作为一种新型的水处理剂，原料来源广泛，价格低廉，操作简单，并具有以废治废、节约资源等优点，具有广阔的应用前景。但目前，用粉煤灰处理废水的研究大都局限于实验室研究阶段。如果要应用于工业实践，还有几个关键问题急待解决：
(1)进一步加强对粉煤灰处理废水的过程机理及反应动力学等理论的研究。确定水处理工业应用的最佳工艺条件及应用范围，进一步提高产品的净水效果。
(2)提高粉煤灰处理效率。通过各种方法提高粉煤灰的吸附容量一直是研究者们关注的焦点，但至今仍然没有很好地解决，从而也就限制了粉煤灰在废水处理中的应用。
(3)灰水分离。由于粉煤灰投加量大，如何快速有效的实现灰水分离是目前急需得到解决的问题。
(4)灰的最终处置。加强对粉煤灰水处理药剂净水固体废弃物(污泥)综合利用研究，只有很好地解决这一问题，才能真正实现粉煤灰水处理剂的大规模工业应用。