炉渣的吸附性能及在废水处理中的应用

刘精今，李小明，杨麒
（湖南大学环境科学与工程系，湖南 长沙 410082）

　　摘　要：通过分析炉渣的主要化学成分及处理工业废水的机理，在总结炉渣处理工业废水实践的基础上，认为炉渣对工业废水中的有机物、重金属等污染物有良好的吸附作用，可在一定程度上取代活性炭，降低废水处理的费用。
　　关键词：炉渣；废水处理；吸附
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009－2455（2003）01－0012－04

　　炉渣是电厂锅炉、各种工业及民用锅炉，炉窑燃烧煤炭后排出的固体废弃物。由于煤炭在燃烧过程中进入大量空气，冷却后又逃逸，导致生成的炉渣形成多孔结构。炉渣中含有的多种碱性氧化物（CaO、Al₂O₃等）在与工业废水接触后能溶出部分碱性物，因而对工业废水中的有机物、重金属、悬浮物具有一定的吸附、过滤、中和及絮凝作用。近年来国内利用炉渣对工业废水进行处理的报道越来越多，一些技术已用于工业实践，本文即对炉渣在处理工业废水的机理和应用实践作一综述。

1 炉渣的化学组成和理化特性

1.1 炉渣的化学组成
　　炉渣是煤炭燃烧后的融熔产物，含有大量硅、镁、钙、铝、铁的氧化物，化学组成见表1^[1]。

表１　燃煤炉渣化学成分 煤种 w(SiO₂) w(Fe₂O₃) w(Al₂O₃) w(CaO) w(MgO) w(k₂O) w(残炭) 烟煤 37.8-60.9 4.3-24.9 16.8-35.2 0.9-9.6 0.4-3.9 0.3-3.4 10-30 无烟煤 49.3-62.5 5.1-16.1 15.1-25.2 0.7-4.9 0.5-1.8 1.3-2.8 10-30 褐煤 21.0-59.1 4.5-12.2 12.2-23.1 1.7-41.3 1.1-2.4 0.9-2.8 10-30

1.2 炉渣的物理特性
　　炉渣的物理特性见表2^[2]。

表2 炉渣的物理特性 有效粒径d₁₀/m 不均匀系数k₈₀ 当量粒径dp/m 床层孔隙率ε 密度ρs/（kg.m^-3) 吸水率H₂O 0.315×10^-3 1.99 0.45×10^-3 0.555 2.30×10³ 0.413 注：经人工破硫筛分，粒径在0.2-0.9mm范围

表3 炉渣被水浸泡后水的pH值 tr> 水浸泡时间/h 1 2 3 4 5 pH值 7.83 8.64 9.12 9.54 9.76 注：浸泡水的pH=7.0

表4 炉渣被水淋洗后水的pH值 水淋溶时间/h 24 48 72 96 120 pH值 9.05 9.55 9.67 9.80 9.94 注：淋溶水的pH=6.86

表5 炉渣被水浸泡后铝的溶出量 炉渣被水浸泡时间/min 35 45 55 65 溶出铝ρ（Al)/(mg.L^-1) 22.48 44.6 46.75 53.04

1.3 炉渣被水浸泡、淋洗后的部分化学特性
　　炉渣在被水（pH=7.0）浸泡、淋洗后，水中pH值变化和铝的溶出量见表3、表4^[4]和表5^[5]。

2 炉渣处理废水机理

　　炉渣去除工业废水中污染物的过程较复杂，与其物理结构、化学成分，废水性质(pH值、有机物组成等）等因素有关。根据目前的有关资料，炉渣处理废水的主要机理为吸附、中和及絮凝沉降作用。
2.1 吸附过滤作用
　　炉渣具有多孔结构，孔隙率达50％－60％，比表面积较大，表面能高，炉渣中含有的残炭达10％－30％，这些残炭具有活性炭的性质，因此炉渣对工业废水中的有机物、重金属、悬浮物具有较强的物理和化学吸附作用。表6为炉渣对某些废水中污染物的吸附情况[5-7]。

表6 炉渣对工业废水中污染物的吸附情况 废水种类 炉渣吸附情况 中药废水 有机物（COD）吸附量达1.71g/kg[炉渣] 化工硝基废水　 硝基废水中有机物吸附为23.7-37.7g/kg[炉渣] 对硝基物（NB）吸附为1.5-27.3g/kg[炉渣] 植物油脂废水 油脂吸附率为5-8kg/m³[炉渣]，废水中悬浮物吸附为25-30kg/m³[炉渣]

2.2 中和作用
　　炉渣中含有的CaO，MgO，Fe₂O₃，Al₂O₃，K₂O，Na₂O等碱性氧化物被水浸泡后进入废水中，能提高废水的碱度，可用来中和酸性废水的酸度，这在处理酸性除尘废水，酸性矿井废水以及某些酸性重金属废水方面有较好的效果。
2.3 絮凝沉降作用
　　炉渣在被中性水浸泡35－65min后，被溶出的铝达到22.5－53mg／L。铝在水中形成的氢氧化物是良好的絮凝剂，能对废水中有机物、重金属、悬浮物起絮凝作用，加强其澄清沉降效果，此外炉渣中的部分无机粉尘对废水也有混凝作用。

3 炉渣在工业废水处理中的应用

3.1 对印染废水的处理
　　印染废水的特点是水质复杂，含各种有机物浓度高，碱度大、色度大。近年来纺织行业不断改变产品结构，提高纺织物印染性能，带来印染废水中难生物降解物质日益增多。炉渣所具有的对废水吸附和中和性能特别适宜对印染废水中染料、浆料。
助剂、色度、碱度等进行吸附处理。表7^[8-11]为国内部分印染厂采用炉渣吸附处理印染废水实例。

表7 炉渣吸附处理印染废水 处理工艺 进水水质 炉渣过滤后水质 ρ（COD）/(mg.L^-1) 色度 pH值 ρ（COD）/(mg.L^-1) 色度 pH值 废水→絮凝炉→渣过滤 946.5 1.03×30（吸光度） 10.82 93.3 0.021(吸光度） 10 废水→除尘→炉渣过滤 729.5 885.1（倍） 10.85 94.5 0.33（倍） 6.98 废水→烟气中和→炉渣过滤 400-1200 ＞250(倍） ＜10 ＜10 无色 7-7.8 废水→SBR→炉渣过滤 COD去除率30.7%-35.7% 色度脱色率60%-80%

3.2 对染料废水的处理
　　染料废水是较难处理的难生物降解废水，与印染废水相比，染料生产废水不仅成分复杂，而且各种污染物浓度更高。国内一些研究者研究了利用炉渣来处理染料废水。例如：张建志研究了用炉渣直接过滤染料废水，废水中色度，COD，SS，S，胺基物和硝基物去除率分别达94％，73.7％，78.5％，25％，9.4％和25.5％。如在炉渣中掺人少量粉煤灰和焦渣，在过滤废水大于炉渣体积16.7倍情况下，对废水中硝基物和胺基物去除率在70％以上^[12]； 孙华研究了利用炉渣处理含偶氮、酞菁有机染料的废水，在进水ρ（COD）为251mg／L时，处理效率为44.3％，脱色率为 50％^[13]。
3.3 对制药废水的处理
　　制药废水不论是中药废水还是化学制药废水都是含有机物和各种化学物质较多的工业废水，特别是抗菌素废水，每升废水中含COD高达数万毫克，是当前国内外都较难处理的一类工业废水。表8^[14-16]为国内部分制药厂（含中药厂和化学制药厂）利用炉渣处理制药废水的情况。

表8 炉渣处理制药废水情况 废水类型 处理工艺 废水处理前 废水处理后 ρ（COD）/（mg.L^-1) pH值 ρ（SS）/（mg.L^-1) ρ（COD）/（mg.L^-1) pH值 ρ（SS）/（mg.L^-1) 中药废水 炉渣直接过滤 1728 6.4 1656 822 8.5 106 中成药废水 炉渣吸附 2500 0.5 1050 8 麻黄素、抗菌素废水 炉渣过滤 460 7.4 120 7 化学制药厂有机废水 炉渣过滤+生物处理 1162 6.8 382 35.8 7.1 22.4

3.4 对造纸废水的处理
　　同秀芝^[17]等利用炉渣处理再生纸废水，处理工艺为炉渣吸附-化学混凝沉淀，经炉渣吸附过滤后的废水，其水质色度，SS，COD和BOD去除率分别达41.5％，29.6％，32.6％和30.3％。
3.5 对锅炉湿法除尘废水的处理
　　锅炉湿法除尘废水的特征是pH值低（pH=2－4），含大量悬浮物，要达到除尘废水回用目的，需除去废水中过高的酸度和悬浮物。表9[18]为国内厂家利用炉渣处理锅炉除尘废水情况。
3.6 炉渣对其它工业废水处理
　　炉渣直接过滤吸附二艺适用于许多工业废水净化处理，如对再生胶废水，化工硝基废水。制革废水等。

表9 炉渣处理锅炉除尘废水 废水类型 处理工艺 进水 出水 ρ（COD）/（mg.L^-1) pH值 ρ（SS）/（mg.L^-1) ρ（COD）/（mg.L^-1) pH值 ρ（SS）/（mg.L^-1) 锅炉脱硫除尘废水 炉渣过滤 830 3.22 1712 100-400 7.94 未测出 锅炉除尘废水 炉渣和微孔陶瓷过滤 2.4 300-430 6.5 100

4 影响炉渣处理效果因素

4.1 炉渣的粒径和比表面积
　　炉渣的粒径越小，同样体积的炉渣比表面积越大，与废水接触面积也越大，对废水的吸附效果也越好。因此对于链条炉和一些老式锅炉炉渣（多呈块状）在一定条件下可将其打碎筛选后使用，而对于沸腾炉的炉渣可不需筛选直接用于废水处理。
4.2 炉渣的化学成分
　　如果炉渣化学组分中，SiO₂及Al₂O₃等活性物含量高，则有利于化学吸附。CaO的含量对炉渣处理效果有一定影响，当炉渣中CaO含量较低时，应投加一定量的石灰对炉渣进行改性，提高炉渣处理废水能力。
4.3 废水pH值
　　炉渣对于pH值较低的酸性工业废水处理效果较好，这主要由于炉渣含碱性物质，炉渣在处理这类废水时既起到了吸附作用也起到了中和作用。例如炉渣处理硝基苯工业废水，pH值是影响其吸附效果的主要因素，当废水pH值从1上升到3时，炉渣对硝基苯废水中COD和NB吸附效果由42％－74％和9％－27％下降到10％－31％和1.5％－16％。
4.4 温度影响
　　一般来说，炉渣处理废水，温度越低处理效果越好。
4.5 污染物浓度影响
　　炉渣处理合重金属离子的工业废水，对于低浓度的工业废水，处理效果较好。如含Cr³⁺和Pb²⁺的废水，在ρ（Cr³⁺）＜10mg／L，ρ（Pb²⁺）＜50mg/L时，经炉渣吸附能使废水很快达到排放标准，而对于较高浓度的Cr³⁺、Pb²⁺、废水，需加大炉渣量或采用絮凝沉淀法后再用炉渣吸附工艺处理。

5 结语

　　炉渣是一种良好的吸附介质，对工业废水中的有机物，重金属离子、悬浮物（SS）、酸性物、色度有良好的吸附和中和能力，可用于工业废水的前处理和深度处理，并可在一定程度上代替活性炭，因而可降低工业废水处理费用，吸附饱和后的炉渣可进焚烧炉焚烧，以消除二次污染。

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　　作者简介：刘精今（1950--），男，湖北武汉人，高工，电话（0731）8821801。