废弃物净化家庭生活污水的资源化利用探究

吕　晶，樊　静，徐建玲，侯瑞锋，雷连彩，王汉席

(1.东北师范大学环境学院，吉林 长春 130117； 2.河南师范大学环境学院，河南 新乡 453007； 3.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 4.北京工商大学理学院，北京 100048)

农村生活污水产量大、分布范围广，对环境的污染较严重且难管理.农村生活污水主要来源于厨房洗涮、洗浴、洗涤等产生的废水，其中，厨房洗涮废水中含有大量油污；洗浴和洗涤用水含多种洗涤剂和个人护理品等化学物质，如表面活性剂、磷、重金属、染料等，如何采用经济可行的方法将家庭生活污水净化，是目前研究的重点和难点.[1-3]

家庭生活污水中有机质污染物含量高，氮、磷、化学需氧量(COD)等含量超过我国地表水Ⅴ类水体标准，而去除污水中的有机污染物、改善水质是污水处理的重点.[4]水中有机污染物的处理包括萃取、氧化还原、生物处理等方法，但存在成本高、易产生二次污染和技术繁杂等缺点.吸附法操作简单且处理效果较好，是有效的净水途径，但常用的吸附材料多数存在成本高、使用周期短、再生成本高等弊端，限制了吸附法的应用.因此，选取和开发廉价、易得、净化效果好的吸附材料一直是研究的重点[5].

吸附法对生活污水净化效果明显，其物理和化学作用可降低污水的COD、色度、臭、氨氮、总磷等指标，而如何选择吸附材料是处理的关键.[6-8]有研究[9-10]表明，花生壳、钢渣等常见废弃物对生活废水的氮、磷和重金属具有吸附作用，可实现废物资源化利用.

花生壳作为花生加工的副产物，常被用做燃料和动物饲料，若能用于处理生活污水，将大大提高其利用空间.花生壳的主要成分有粗纤维、矿物质及原花青素、白藜芦醇等生物活性物质，对污水具有一定的吸附作用.[11]生活污水因受废旧电池污染，铜、铅和锌等含量较高，而花生壳作为一种天然生物吸附剂，对其吸附效果明显.[12-14]此外，相关文献显示，花生壳对磷和染料具有良好吸附性能，可有效净化洗衣废水.[15-17]

常用的吸附剂中，活性炭吸附效果较好，但其制备成本高且再生困难的缺点限制了其使用，发现成本低且吸附效果好的吸附剂代替活性炭具有重要意义.[18]木炭原料丰富、价格低廉且吸附性强，是常见废弃物.研究[19-20]表明，木炭的吸附量与其比表面积成正比，对碱和酸的吸附性较强，且对COD、总磷、氨氮的吸附性明显，可用于处理生活污水.

炉渣是现代工业或家庭燃料燃烧产生的副产物，产量大，主要用于路基材料和建筑材料，利用率较低.研究[21-22]表明，炉渣的比表面积较大且表面多孔，其成分中含大量的Al、Si等活性物质，吸附能力较强；此外，炉渣还可有效除去生活污水中的色度、臭味、有机质、重金属等污染物质.而炉渣粉具有较高的吸附活性，能够有效去除家庭生活污水的磷.[23-25]

钢渣是在炼钢过程中产生的固体废物，每年排放量较大，但利用率较低.调查[26-28]显示，中国每年排渣增长量多达上万吨，堆放占用土地资源、污染土壤环境甚至造成生态破坏，因此，研究钢渣的资源化利用具有重要意义.钢渣的表面多孔、结构稳定，主要化学成分为SiO2、Al2O3等，吸附性能较好，是优良的吸附材料.[29-30]钢渣对废水中磷、氨氮、COD、某些染料、铬、铅等具有较好的吸附性，其中，对磷和染料的吸附性能力尤为显著，研究[31-32]表明，钢渣在工业废水和生活废水处理中对磷的去除率较高.钢渣对一些染料的吸附效果显著，甚至优于活性炭等滤料，利用钢渣对含大量磷、染料、氨氮等的厨房和洗涤废水、被铅汞电池污染的生活污水进行吸附处理，效果明显.[33-34]

综上，采用花生壳、木炭、炉渣、钢渣等工农业产生的固体废弃物作为生活污水吸附材料，开展水处理研究具有重要意义.本文设计了多种处理方案，通过对COD、色度、臭气、氨氮和总磷等水质指标的测定，评价了这些固体废弃物的处理效果，以为废物资源化利用及农村家庭生活污水处理、达标排放和再利用提供有效途径.

1　材料与方法

1.1　实验仪器

5B-3F型COD快速测定仪(兰州连华环保科技有限公司生产)；比色皿；5B-1F消解器；具塞比色管(50 mL)；1 000 W变阻电炉；分光光度计；pH计；电子天平(精确度0.000 1 g)；ds-360石墨消解仪；红外加热炉；智能恒温水浴；722型光栅分光光度计；立式压力蒸汽灭菌器；高压反应釜；电热恒温鼓风干燥箱(220 V，50 Hz，1 040 W，50℃～200℃温度范围).

1.2　实验药品

酒石酸锑钾(KSbC4H4O7·1/2H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、四水合钼酸铵(钼酸铵(NH4)6Mo7O2·4H20)、抗坏血酸(C6H8O6)、过二硫酸钾(过硫酸钾K2S2O8)、硫酸、氢氧化钠，分析纯；多聚磷酸钠(Na5P3010)，化学纯；COD专用试剂D-100(固态晶体粉末，兰州连华环保科技有限公司生产)；COD专用试剂E-100(固态晶体粉末，兰州连华环保科技有限公司生产).

1.3　实验试剂

D-100试剂：将整瓶D-100专用试剂倒入烧杯，加硫酸(AR)5 mL、去离子水75 mL，搅拌全溶为橘红色的透明溶液.

E-100试剂：将整瓶E-100专用试剂倒入烧杯，加入500 mL硫酸(AR)，搅拌全溶为无色的透明液体.

无臭味的水：硫代硫酸钠溶液滴定含氯的水去除氯，煮沸，蒸去1/10体积.

色度为500的铂钴标准溶液；200 mL钼酸盐溶液；50 mL过硫酸钾溶液；50 mL抗坏血酸溶液；无氨水环境配置的纳氏试剂和酒石酸钾钠溶液.

1.4　实验方法

选取花生壳、木炭、炉渣、钢渣以及木炭、炉渣和钢渣(3∶1∶1配比)的混合材料共5种吸附材料，其中钢渣、木炭和炉渣的混合方式采用自上到下分层混合，其厚度分别为3，9，3 cm.分别将制备的吸附材料对家庭生活污水进行吸附处理24 h，净化后的水样，先后进行化学需氧量(COD)、色度、臭、氨氮、总磷的测定，根据测定的指标分析并确定进一步的研究测定指标，最后分析净化效果.

实际操作时，对5种材料净化后的水样首先进行化学需氧量(COD)的测定，取效果良好的水样再测定色度和臭度，综合比较后，取最佳水样进一步进行氨氮和总磷的测定，最后综合分析5种材料的净水效果，从而得出相关的资源化利用效果.

1.4.1COD测定

取蒸馏水和各个试样2.5 mL，顺次加0.7 mL的D-100和4.8 mL的E-100试剂，混合，消解，冷却后利用5B-3F型COD快速测定仪测定样品COD.

1.4.2铂钴标准比色法测定色度

取数支比色管，加各待测试样5.00 mL后，稀释到50.0 mL，将其放到白板上，观察其色度.[35]

1.4.3感官分析法测定臭

取各水样于锥形瓶中，温热到20℃左右，振荡后靠近瓶口用鼻子闻其气味，用“强”“较强”“弱”“较弱”“微弱”等程度词语描述水样中臭的强度.[35]

1.4.4纳氏试剂光度法测定氨氮

将各个试样絮凝沉淀，使其氨氮含量达到0.1 mg以下，取一定量于50 mL比色管中标定，加KNaC4H4O6·4H2O溶液；取样品馏出液于比色管中加适量NaOH溶液中和硼酸，稀释标定；加纳氏试剂混合；用20 mm光程的比色皿，在420 nm波长下测量各试样的吸光度.[35]

1.4.5钼酸铵分光光度法测定总磷含量

取50 mL的比色管，加各试样1 mL后稀释到25 mL，各加4 mL的过硫酸钾，进行加热消解；冷却后加水约至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的钼酸盐溶液并稀释标定，在室温下显色15 min，利用分光光度计在700 nm波长处测量各试样的吸光度.[35]

2　结果

2.1　吸附后水样的COD

图1　原水与各种吸附材料吸附后的水样中COD测定结果

原水(河南师范大学家属院居民区生活污水水样)中COD为63.08 mg/L，5种材料吸附处理原水后水样中COD的测定结果见图1.由图1可见，花生壳吸附过的家庭生活污水的COD达到676.00 mg/L；钢渣吸附过的家庭生活污水COD测定值略有升高；炉渣吸附过的生活污水COD测定值有一定程度的下降，但去除率仅有10.99%，去除效果为一般；木炭吸附过的家庭生活污水COD测定值降低最大，去除率达到67.42%；木炭、炉渣和钢渣的混合材料吸附过的家庭生活污水COD测定值下降幅度适中，去除率为56.47%.

2.2　吸附后水样的色度

不同材料吸附后水样色度的测定结果见表1.由表1可见，木炭吸附过的家庭生活污水色度加深；炉渣和钢渣吸附过的家庭生活污水色度都有所减弱；木炭、炉渣和钢渣的混合材料吸附过的家庭生活污水，色度测定值下降幅度较大.

表1　色度的测定结果

注：0 原水(河南师范大学家属院居民区生活污水水样)；1 钢渣吸附后的水样；2 炉渣吸附后的水样；3 混合材料吸附后的水样；4 木炭吸附后的水样.下同.

2.3　吸附后水样的臭度

不同材料吸附后水样臭度的测定结果见表2.由表2可见，炉渣、钢渣、木炭以及木炭、炉渣和钢渣的混合材料吸附过的家庭生活污水，臭度均降低.其中，混合材料吸附过的家庭生活污水的臭度测定值最低.

表2　臭度的测定结果

2.4　混合材料吸附后水样的氨氮和总磷

图2　混合材料吸附后水样的氨氮和总磷的质量浓度

由图1、表2可见，木炭、炉渣和钢渣的混合材料对污水COD、色度、臭度的处理效果都比较明显.混合材料吸附后水样中氨氮和总磷的质量浓度测定结果见图2.所取原水(河南师范大学家属院居民区生活污水水样)中氨氮的质量浓度为14.845 mg/L，总磷为9.339 mg/L，由图2可见，木炭、炉渣和钢渣的混合材料吸附过的家庭生活污水，氨氮和总磷质量浓度降低幅度均很大，去除率分别达到84.87%和92.89%.

3　讨论

3.1　不同吸附材料对生活污水中COD的影响

以花生壳为吸附材料处理后的家庭生活污水中COD的含量大幅度增加，这可能是由于花生壳本身是有机物，吸附过程中在水动力条件的影响下，部分花生壳残渣直接进入水体；同时花生壳自身的部分成分在吸附浸泡的过程中也会溶解到水体当中，从而使最终的测定值增加，其结果值相当于原水中COD和花生壳中COD的总和，因此，不能采用该材料为处理家庭生活污水的吸附材料.

目前，关于钢渣处理污水中COD的研究较少，有研究[29]表明，直接用钢渣吸附污水中COD的效果并不理想，最高去除率仅为27%左右.而在本研究中，钢渣吸附材料质地光滑坚硬，吸附点位相对较少，从而对家庭生活污水中的COD几乎无去除效果.炉渣的成分铝在水中形成的氢氧化物是良好的絮凝剂，可对水中有机物产生絮凝作用，从而对污水起到净化效果，但炉渣通常粒径较小、吸水性较强而通透性较差，在水中容易凝结成块状，故直接将炉渣做吸附剂处理污水的净化效果会受到一定影响.[36]本研究中的炉渣吸附材料对生活污水中COD的去除效果一般，但较钢渣有所提高.

木炭作为一种典型的生物质炭，比表面积较大且表面的含氧活性基团较多，对污水有机物具有较大的吸附能力和吸附容量.有研究[37-38]表明，木炭对污水中COD的吸附效果明显，较长时间的吸附后，效果可高于活性炭，去除率可达60%～90%.本研究中，木炭对污水中COD的去除率达到了67.42%，可见，木炭是去除家庭生活污水中COD的理想材料.

实验中发现，木炭密度较小易漂浮于水面上，无法浸没在水体中，与水体接触面积较小，影响吸附效率.而钢渣具有较大的硬度和孔隙率，将炉渣与钢渣混合成颗粒状，可提高其吸附过程中的渗透速率.因此，木炭、炉渣和钢渣的混合材料，结合了炉渣和钢渣混合颗粒较高的渗透率及木炭较高的吸附率的特点，对污水中COD的去除率达到了较好的效果.由此可见，混合材料对家庭生活污水中COD具有较好的去除作用，有一定的应用前景.

3.2　不同材料吸附后水样色度的比较分析

由于花生壳本身会增加生活污水中COD的浓度，故不对其进行进一步的研究.对钢渣、炉渣、木炭及混合材料吸附净化后水样的色度进行测定后发现，尽管木炭对污水中COD的去除效果较好，但木炭是黑炭的一种，其本身含有“炭黑”，[20]若单独采用出水较浑浊，有大量的炭黑悬浮于水体当中，会加深家庭生活污水中的色度，故不应该单独采用木炭为吸附材料.钢渣密度较大，炉渣质地疏松空隙较小，本研究中炉渣和钢渣吸附过的家庭生活污水色度均有所减小.将钢渣、木炭和炉渣混合后，木炭层上方的钢渣可将木炭压入水体，同时其下方的炉渣也可将木炭溶出的炭黑颗粒过滤吸附掉，使出水较为澄清.因此，木炭、炉渣和钢渣的混合材料对家庭生活污水色度的处理效果最佳，应该着重进行研究.

3.3　混合材料对臭度的吸附效果

炉渣、钢渣、木炭以及木炭、炉渣和钢渣的混合材料均能减弱家庭生活污水的臭度，但混合材料综合了3种材料的吸附优点，增强了对污水中臭味的吸附性能，使吸附过的污水臭度更理想，这进一步说明混合材料对净化家庭生活污水显著的优越性.

3.4　混合材料对氨氮和总磷的去除效果

实验发现，单独采用钢渣吸附过的家庭生活污水，COD略有升高，色度、臭度有所下降；单独采用炉渣吸附过的家庭生活污水，COD稍有下降，色度、臭度有所下降，但多次实验发现其会腐蚀装置管道而形成二次污染；单独采用木炭吸附过的家庭生活污水，COD下降较大，但其色度加深；而混合材料对家庭生活污水中COD、色度、臭度的处理效果都比较理想，克服了各材料单独使用出现的缺点，除此之外，该混合材料可有效去除家庭生活污水中氨氮和总磷的含量，是一种理想的家庭生活污水净化剂，对其进行进一步研究具有重要意义.

4　结论

花生壳等有机物不能去除污水中的COD，原因是大多数有机物吸附剂，如植物壳皮，其本身对COD贡献很大，不宜作去除家庭生活污水中COD的吸附剂，因此得不到相应的资源化利用.木炭作为吸附材料，可有效去除污水中的COD，具有较强的资源化利用性.钢渣作为吸附材料，可较为有效地改善水质，具有良好的资源化利用性.以炉渣为吸附材料，可有效改善水质，资源化利用性较强.而木炭、炉渣和钢渣的混合材料，是一种理想的家庭生活污水净化剂，其资源化利用的效果最理想.

[参考文献]

[1]丁蕾.中水回用技术的现状及其展望[J].经营管理者，2016(2)：315-316.

[2]薛庆庆，张鹏，周博，等.家庭洗涤废水循环利用设备的研究与开发[J].中国资源综合利用，2014，32(2)：24-25.

[3]戈蕾，葛大兵.城市家庭生活污水水量调查与水质分析[J].环境科学与管理，2010，35(2)：16-17.

[4]柯细勇，康旭，赵志伟，等.水质指标COD的优缺点及其测量方法发展[J].环境科学与技术，2011，34(6)：255-258.

[5]冉光静，闵维康，张恒.水质指标化学需氧量(COD)的检测方法分析[J].河南科技，2015，19：132-133.

[6]GADDG M.Biosorption：critical review of scientific rationale，environmental importance and significance for pollution treatment[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2009，84(1)：13-28.

[7]吴缨，汪洋，李焱，等.农林废弃物吸附去除水中重金属的研究进展[J].安徽大学学报(自然科学版)，2016(3)：95-108.

[8]DE GISI S，LOFRANO G，GRASSIM，et al.Characteristics and adsorption capacities of low-cost sorbents for wastewater treatment：a review[J].Sustainable Materials and Technologies，2016(9)：10-40.

[9]章芳，章北平，陈哲，等.四种填料对生活污水的吸附性能分析[J].水处理技术，2006，32(11)：37-41.

[10]樊静，赵国强，吕晶，等.一种微型阶梯式可拆卸生活污水处理装置[P].河南，ZL201420302417.99.2014-10-29.

[11]潘亚萍.花生皮壳的综合利用[J].中国油脂，2012，37(5)：66-67.

[12]张再利，况群，贾晓珊.花生壳吸附Pb2+、Cu2+、Cr3+、Cd2+、Ni2+的动力学和热力学研究[J].生态环境学报，2010，19(12)：2973-2977.

[13]HAN Y，CAO X，OUYANG X，et al.Adsorption kinetics of magnetic biochar derived from peanut hull on removal of Cr (VI) from aqueous solution：effects of production conditions and particle size[J].Chemosphere，2016，145：336-341.

[14]JUNG K W，HWANG M J，AHNK H，et al.Kinetic study on phosphate removal from aqueous solution by biochar derived from peanut shell as renewable adsorptive media[J].International Journal of Environmental Science and Technology，2015，12(10)：3363-3372.

[15]杨超，柯丽霞，龚仁敏，等.花生壳粉作为生物吸附剂去除水溶液中偶氮染料的研究[J].生物学杂志，2005，22(2)：44-47.

[16]ÖZER D，DURSUN G，ÖZER A.Methylene blue adsorption from aqueous solution by dehydrated peanut hull[J].Journal of Hazardous Materials，2007，144(1/2)：171-179.

[17]赵二劳，王美林，范建凤.花生壳对刚果红的吸附性能[J].生态与农村环境报，2010，26(4)：372-375.

[18]黄凯，荆涛.活性炭对水中有机污染物吸附行为的研究进展[J].化学工程与装备，2016(1)：162-164.

[19]PEREZ-AMENEIRO M，BUSTOS G，VECINO X，et al.Heterogenous lignocellulosic composites as bio-based adsorbents for wastewater dye removal：a kinetic comparison[J].Water，Air and Soil Pollution，2015，226(5)：1-10.

[20]ANTAL M J，GRONLI M.The art，science，and technology of charcoal production[J].Ind Eng Chem Res，2003，42(8)：1619-1640.

[21]倪晓斌，赵陈，童建颖.炉渣的吸附性能及在废水处理中的应用试验[J].化工生产与技术，2005，12(6)：42-43.

[22]CHANG E E，CHIU A C，PAN S Y，et al.Carbonation of basic oxygen furnace slag with metalworking wastewater in a slurry reactor[J].International Journal of Greenhouse Gas Control，2013，12：382-389.

[23]LEE M S，DRIZO A，RIZZOD M，et al.Evaluating the efficiency and temporal variation of pilot-scale constructed wetlands and steel slag phosphorus removing filters for treating dairy wastewater[J].Water Research，2010，44(14)：4077-4086.

[24]孙力，刘雪刚，周晓铁.改性炉渣处理低浓度含磷废水试验研究[J].安徽农业科学，2015，20：238-240.

[25]HUSSAIN S I，BLOWES D W，PTACEK C J，et al.Mechanisms of phosphorus removal in a pilot-scale constructed wetland/BOF slag wastewater treatment system[J].Environmental Engineering Science，2015，32(4)：340-352.

[26]YI H，XU G，CHENG H，et al.An overview of utilization of steel slag[J].Procedia Environmental Sciences，2012，16：791-801.

[27]BARCA C，MEYER D，LIIRA M，et al.Steel slag filters to upgrade phosphorus removal in small wastewater treatment plants：removal mechanisms and performance[J].Ecological Engineering，2014，68：214-222.

[28]程芳琴，高瑞，宋慧平.改性钢渣处理低浓度氨氮废水[J].环境工程学报，2012(11)：4027-4033.

[29]薛芳斌，宋慧平，史永林，等.改性钢渣处理COD模拟废水研究[J].山西大学学报(自然科学版)，2013，36(3)：484-490.

[30]BARCA C，GÉRENTE C，MEYER D，et al.Phosphate removal from synthetic and real wastewater using steel slags produced in Europe[J].Water Research，2012，46(7)：2376-2384.

[31]YAGUB M T，SEN T K，AFROZE S，et al.Dye and its removal from aqueous solution by adsorption：a review[J].Advances in Colloid and Interface Science，2014，209：172-184.

[32]WEN W，LI X，SHUAI W，et al.Adsorption properties and mechanism of anionic congo red dyeing waste water by steel slag[J].Journal of Tongji University (Natural Science)，2010(8)：14-18.

[33]刘晓，李学莲，曹国凭.钢渣陶粒对废水中磷的吸附特性[J].工业水处理，2014 (1)：18-21.

[34]WANG S，YANG J，LOUS J，et al.Wastewater treatment performance of a vermifilter enhancement by a converter slag-coal cinder filter[J].Ecological Engineering，2010，36(4)：489-494.

[35]国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法[M].第四版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[36]陈婕，罗海波，刘方，等.炉渣颗粒吸附剂对沼液吸附效果研究[J].中国农业科技导报，2013，15(1)：152-157.

[37]李广科，宋胶胶，栗赟，等.木炭对垃圾渗沥液中COD的吸附性能研究[J].环境卫生工程，2016，24(1)：11-13.

[38]陈思琳，刘方，张登宇，等.木炭和活性炭对沼液中氨态氮、总磷和化学需氧量的吸附效果[J].贵州农业科学，2012，40(3)：204-206.