粉煤灰在水处理中的作用

粉煤灰在水处理中的作用

【摘要】煤灰作为一种可再资源化的工业固体废弃物日益引起关注。本文从粉煤灰的性质和组成出发，并从粉煤灰作吸附助凝剂、利用粉煤灰制取新型高效混凝剂、粉煤灰改性等方面探讨了粉煤灰应用于水处理的可行性。

【关键词】粉煤灰水处理吸附改性

1 前言

粉煤灰是企业在生产时煤粉燃烧过程中排出灰渣的总称。据统计，随着大型燃煤电厂的建成投产，我国粉煤灰的产生量以平均每年15%的速度递增，占工业固体废弃物的比例已达到60%。目前我国粉煤灰主要用于建材制品、建筑工程、道路工程等方面，我国粉煤灰综合利用率由1994年的35%提高到2011年的68%，区域性较强。其余部分被堆积废弃，不仅占用了大量耕地，而且造成环境污染。芬兰、丹麦、日本等国粉煤灰利用率已达到80%以上。据预测“十二五”末粉煤灰年产生量将达到5.7亿吨，因此粉煤灰的综合利用是当今环境科学的重要研究课题。我国2013年1月出台了《粉煤灰综合利用管理办法》，对粉煤灰资源的合理、高效利用给予引导及鼓励。由于粉煤灰独特的物理化学特性以及低廉的价格，近年来其在水处理方面展现出新的应用前景。

2 粉煤灰的物理特性

粉煤灰的理化性质与燃料中的矿物组成、燃烧方式及收尘方式等有关，不同电厂粉煤灰的物理性质、化学组成差异很大，取决于各种颗粒组成及其组合。粉煤灰以富铝玻璃体存在，其中以Si02和Al203，的含量为主，同时含有少量的Fe2O3、CuO、MgO、Na20等化合物，有时候还含有比较高的ca0，还含有未燃尽的碳、未发生变化的矿物（如石英等）和碎片等。由于其中含有许多不规则形状的玻璃状颗粒，而且这些颗粒中还含有不同数量的小气泡，因此粉煤灰表面呈多孔结构，密度1.9～2.p

3 粉煤灰在水处理中的应用

粉煤灰由多种粒子构成，其中珠状颗粒包括空心玻珠（漂珠）、厚壁及实心微珠（沉珠）、铁珠（磁珠）、炭粒、不规则玻璃体和多孔玻璃体等五大品种。其中不规则玻璃体是粉煤灰中较多的颗粒之一，大多是由似球和非球形的各种浑圆度不同的粘连体颗粒组成。有的粘连体断开后，其外观和性质与各种玻璃球形体相同，其化学成分则略有不同。多孔玻璃体形似蜂窝，具有较大的表面积，易黏附其他碎屑，且灰中含有较多的活性氧化铝和氧化硅等，具有较强的吸附能力，所以粉煤灰在水处理中的主要作用机理为吸附，其中也包括接触絮凝、中和沉淀与过滤截留等协同作用。可应用于废水的处理，对含重金属离子废水、有机废水、含氨氮废水、染料废水和生活污水均有很好的处理效果。

3.1 吸附

由于粉煤灰含有多孔玻璃体、多孔炭粒，呈多孔性蜂窝状组织，比表面积较大，同时还具有活性基团，吸附活性高，因此粉煤灰处理废水的机理主要有物理吸附和化学吸附。物理吸附是指粉煤灰与吸附质（污染物分子）间通过分子间引力产生吸附，这一作用由粉煤灰的多孔性及比表面积决定，比表面积越大，吸附效果越好，未燃炭粒对物理吸附产生重要影响。化学吸附主要是由于粉煤灰存在大量铝、铁、硅等活性点，对水中多数带负电的胶体微粒能进行强有力的吸附，产生絮凝作用。再加上粉煤灰中含有助凝剂成分，如Ni、C0、As、Na、Li、Ca 等，能促进其沉降。化学吸附特点是选择性强，通常为不可逆。在通常情况下，物理吸附和化学吸附作用同时存在，但在不同条件（pH值、温度等）下体现出的优势不同，导致粉煤灰吸附性能变化。有研究表明，比表面积大的粉煤灰吸附性能较好，并且发现粉煤灰在吸附过程中存在离子交换作用。

3.2 接触絮凝

粉煤灰中的一些成分如CaO等，能与废水中的有机物质形成吸附一絮凝沉淀，吸附效果受到废水温度、pH值、投放量以及搅拌强度和搅拌时间等因素影响。废水中微粒浓度低且粒径很小，水中大于l微米的颗粒物质少，水中微细颗粒缺少起粘附作用的“絮凝核”。不加入粉煤灰时，沉淀絮体的粒度主要分布在10μm附近。而加入粉煤灰后，粒度有较明显的提升，主要分布在30～40μm附近，能够为细小的絮体的快速长大提供“吸附絮凝核”，提高絮体的粒度及密度进而加速其沉降，起到较好的助凝作用。

3.3 中和沉淀

粉煤灰存在大量的硅、铝、铁等活性物质，能与吸附质通过化学键发生结合，使其可与吸附质通过化学键或离子键结合发生化学吸附作用，粉煤灰中的碱性物质可中和酸性废水，形成铁氧絮凝体，吸附其它有害物并沉淀。其中的铝盐、铁盐遇水后形成Al（H20）3+、Fe（H20）3+，并能解离出Al3+、Fe3+，这些络合物与水化膜的水分子作用被OH-取代，提高了溶解性，进一步形成多核结构。它们带有正电荷对水中多数带负电的胶体颗粒能进行强有力的吸附，产生絮凝作用。加上粉煤灰中含有絮凝助剂成分，如Ni、C0、As、Na、Li、Ca等，能促进絮凝体的主要氢氧化物生成，加大絮凝物的强度，增加其质量促进沉降。

3.4 过滤截留

粉煤灰含有多孔玻璃体、多孔炭粒、比表面积较大，与吸附质（污染物分子）间通过分子间引力产生吸附，其吸附作用由粉煤灰的多孔性及比表面积决定。吸附时粉煤灰颗粒表面能降低、放热，在低温下可自发进行，并且在放热的同时提高投加混凝剂的水解效率，进而提高混凝沉淀效果。粉煤灰是多种颗粒的机械混合物，空隙率在60%～75%之间，废水通过粉煤灰时，粉煤灰也可过滤截留一部分悬浮物。4 粉煤灰在废水处理中的应用

电厂粉煤灰作为一种松散多孔且比表面积较大的固体颗粒，具有较大的比表

面积和静电吸附作用，用作废水处理中的吸附剂或混凝剂净化废水，对COD、BOD5、色度重金属等都有较好的去除作用。此外，电厂粉煤灰在絮凝过程中有协同效应，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，电厂粉煤灰作为吸附剂、絮凝剂、助凝剂在水处理中有着广泛的用途。

4.1 处理废水中重金属

粉煤灰与水结合时pH值在10～13之间，呈碱性，表面带负电荷，因此可通过沉淀或静电吸附去除水中的重金属离子。粉煤灰处理水中高浓度的重金属时效果较好；对Cu，Zn，Pb和Cr的去除效果较好，去除Cd的效果较差；粉煤灰投加量和重金属的去除率成正相关性。

4.2 处理含酚、胺类废水

用粉煤灰处理配制的含苯酚、联苯胺、苯胺、甲萘胺、对硝基苯胺模拟废水进行了研究，表明：废水pH值为6.0左右，废水含有机物量为10～l00毫克每升，在灰水质量比为1/4800时，废水的去除率最高可达70%以上。

4.3 处理含氮、磷废水

氮磷废水的任意排放，会使水域中的藻类等植物大量繁殖，导致水体富营养化。富营养化的水体含有大量的硝酸盐和亚硝酸盐，长期饮用严重危害人类健康。粉煤灰颗粒和磷酸盐之间存在静电吸引作用.采用粉煤灰壹除水中的磷酸盐，最大吸附量为71.87mg/g，溶液中磷酸盐去除率达99%。

4.4 处理湿法脱硫废水

湿法脱硫废水主要呈弱酸性，pH值低于5.7，悬浮物多，颗粒细少，主要成份为粉尘和脱硫产物，废水中含有可溶性的氯化物、硝酸盐等，含有Hg、Pb、Ni、As、Cd、Cr等重金属离子。粉煤灰物理及化学特性所具有的主要特点：（1）粉煤灰中含有一定量且溶于水的碱性物质和钙离子，其中碱性物质主要是游离的氧化钙；（2）粉煤灰是多孔物质，对污染物具有较大的吸附能力。是对脱硫废水前期处理的理想药剂，若粉煤灰处理后的废水中第一类污染物质含量达标，出水便可与其它废水联合排放。处理后的沉淀粉煤灰应单独存放或处置，另外利用粉煤灰处理脱硫废水比一般的脱硫废水处理方式所形成的污泥量多。

4.5 处理生活污水

以火电厂贮灰场粉煤灰为吸咐剂，以生活污水为吸附处理对象，通过间歇吸附实验研究了粉煤灰对生活污水中化学耗氧物质（COD）的吸附规律，并与活性炭的吸附性能进行了比较。结果表明，粉煤灰对生活污水中的COD有较强的吸附作用，当灰水比为1：10时，粉煤灰和活性炭的平衡去除率分别为86.0%和95.1%。粉煤灰对COD的吸附行为符合氟兰德利希等温方程式。低pH值、高灰