沸石濾池

沸石，沸石族礦物的總稱，是一種鋁矽酸礦物。沸石種類很多，較為常見的有鈉沸石、方沸石、斜發沸石、菱沸石、交沸石、片沸石、絲光沸石、輝沸石、濁沸石、鈣十字沸石和毛沸石等。

以沸石為填料的濾池可用來去除氨氮、重金屬、有機污染物、大腸桿菌、苯酚、氯仿和陰離子表面活性劑等污染物。

基本介紹

• 中文名：沸石濾池
• 外文名：zeolite filter
• 吸附方式：物理吸附
• 用途：去除水中部分污染物
• 優點：簡單、經濟、截污能力強
• 存在問題：吸附容量低，難再生等

沸石

瑞典礦物學Cronstdet家於1756年在冰島玄武岩杏仁狀孔隙內發現了一種白色透明的礦物，因其加熱時出現發泡沸騰現象被命名為“沸石”。

沸石，沸石族礦物的總稱，是一種鋁矽酸礦物。沸石種類很多，較為常見的有鈉沸石、方沸石、斜發沸石、菱沸石、交沸石、片沸石、絲光沸石、輝沸石、濁沸石、鈣十字沸石和毛沸石等。但不管是何種沸石，其都是由矽氧和鋁氧四面體組成。

其中，鋁原子和矽原子可以通過氧原子相互連線，形成四面體的空間結構，使沸石內部存在大量的空穴。另外，SiO₄四面體不帶電荷，AlO₄四面體帶了一個負電荷，使整個沸石呈負電性質。為了保持電中性，沸石會吸附自然環境中的陽離子，這些陽離子與沸石骨架結合不緊，在溶液中極易與外界一些陽離子進行離子交換。因此，沸石具有優良的離子交換性能。目前，沸石在我國環境保護中主要用來去除水體中的氟、有機物、放射性物質、氨氮、磷、砷、重金屬、廢氣等污染物。

沸石交換性能主要受沸石空穴大小、矽鋁比和陽離子性質及位置的影響，矽鋁比越低，沸石交換性能越好。陽離子位置或性質不同都將影響沸石交換性能。沸石陽離子交換順序為：

Cs⁺>Rb⁺>NH⁴⁺>K⁺>Na⁺>Li⁺>Ba²⁺>Sr⁺>Ca²⁺>Mg²⁺。從陽離子交換順序中可以看出沸石對NH⁴⁺具有很好的交換性能。天然沸石對氨氮的吸附符合準二級動力學模型，沸石粒徑、投加量以及溶液pH值均會影響沸石對氨氮的吸附。目前，利用天然沸石通過“過濾一吸附”去除微污染水源水中的氨氮研究已取得一定進展，但吸附容量低、難再生等關鍵問題制約著天然沸石在微污染水體氨氮去除領域的廣泛套用。

沸石吸附

吸附分為物理吸附和化學吸附。物理吸附時，被吸附物質的分子與固體吸附劑之間的作用力主要是范德華力，吸附強度較弱，具有廣泛性，選擇性較差。固體表面被吸附的分子可形成多層，吸附熱一般小於20kJ/mol。而化學吸附是由吸附劑表面分子和被吸附分子間的價鍵作用形成，吸附熱約40~400kJ/mol。具有選擇性。化學吸附時，被吸附分子一般單層，因為表面被所吸附的分子覆蓋後，價鍵力已飽和，難以吸附更多層的分子。沸石作為濾料，可吸附水中雜質。沸石表面功能團難以和水中絮體和有機物發生化學反應，因此，主要發生物理吸附。

水處理領域

自然界中氨氮的去除終究需要微生物的作用，在氨氮轉化為氮氣的過程中，生物的硝化和反硝化起了關鍵作用。因此，為微生物選擇一種優良的生長載體至關重要。有學者分別以沸石、陶瓷、碳作為曝氣生物濾池生物載體，對比考察三種生物濾池對水中COD、SS、氨氮、總氮、總磷的去除效果，發現以天然沸石為載體的生物濾池對氨氮的去除效果最好。另有研究表明，沸石不僅是良好的氨氮吸附劑，而且其微孔結構和巨大的比表面積，很適合微生物的生長繁殖。因此，將沸石作為生物載體用於水體脫氮，具有廣闊的套用前景。

目前，沸石與生物聯用主要用於沸石生物濾池，其中以天然沸石曝氣生物濾池（ZBAF）套用最廣。ZBAF工藝是將沸石置於濾池內作為微生物附著載體，以活性污泥或者原水進行生物掛膜，待生物膜成熟後，在曝氣條件下對水體中的氨氮進行去除。

起初，曝氣沸石生物濾池主要用於高濃度氨氮污水的處理。近年來，飲用水源水也遭到了氨氮的污染，由於傳統的除氨氮方法存在一些缺陷，導致微污染飲用水源水中氨氮不能得到很好去除。因此，人們開始探索以沸石為填料的曝氣生物濾池（BAF）工藝對微污染飲用水源水氨氮的去除效果。

石化廢水處理

石化廢水中的污染物種類多、濃度高、毒性大，對環境的危害大。隨著工業廢水排放標準日趨嚴格和回用的呼聲逐漸高漲，二級處理無法滿足這一要求。因此，符合我國國情的簡單實用、高效可靠、運行費用低的回用水深度處理工藝和技術將是今後一段時間的發展趨勢。

由於天然沸石具有較高的孔隙率和較大的比表面積，尤其是對氨氮具有很大的交換容量，且沸石結構特性可為微生物提供良好的生長微環境。因此，以沸石為填料的濾池可用來去除氨氮、重金屬、有機污染物、大腸桿菌、苯酚、氯仿和陰離子表面活性劑等污染物；有關學者通過研究還得到濾池的最佳填料粒徑分布及其填充高度、濾速等設計運行參數。

沸石改性方法

天然沸石的表面和內部孔道中吸附了大量的雜質如Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺等，且內部孔道相互貫通程度也低，導致其吸附性能和離子交換性能不能得到充分發揮。因此，有必要對天然沸石進行改性或改型活化。

目前，沸石改性方法主要有酸改性、鹽改性和高溫改性。其中酸改性是利用酸將沸石孔道中的一些雜質溶解，拓寬孔道和空穴，同時使沸石結晶構造發生一定程度變化，增加吸附活性中心。有學者用鹽酸對天然沸石進行改性，研究發現沸石改性的最佳鹽酸濃度為0.1mol/L，對1.75mg/L的低濃度氨氮溶液去除率達到97.1%。

鹽改性利用了沸石的離子交換性能。溶液中交換能力較強的陽離子能夠將沸石內部交換能力相對較弱的陽離子置換出來，將沸石內部孔道打通，使沸石比表面積增大。

高溫改性是指在一定溫度下焙燒天然沸石。一定溫度下焙燒能夠去除沸石孔道和空穴中的沸石水、有機物和碳酸鹽，使沸石孔道被疏通，比表面積增大，達到提高沸石氨氮吸附速率和交換容量的目的，同時保持沸石的晶體結構不被破壞。

沸石改性方法不同，其對氨氮的去除效果也會不同。有學者對比了鹽酸改性、高溫改性、氯化鈉改性三種改性方法對沸石吸附氨氮性能的影響，結果發現，用氯化鈉改性的沸石對水源水的氨氮去除效果最好（初始氨氮濃度為3～5mg/L），最佳氯化鈉濃度為0.8mol/L，氨氮吸附容量可達到0.84mg/g。

存在的問題

我國沸石儲量居世界第一，天然沸石價格低廉、易於獲取。沸石不僅具有良好的吸附性和離子交換性，而且很適合微生物的生長繁殖。將沸石用於曝氣生物濾池作為生物載體用於微污染源水中氨氮的處理已成為研究熱點。但目前的沸石曝氣生物濾池工藝還存在一定的不足，研究更多的停留在將氨氮轉化為硝態氮，總氮沒有得到有效去除。

首先作為生物濾池載體的天然沸石對氨氮的吸附性能不夠高。有研究表明，在天然沸石的表面和內部孔道中吸附了大量的雜質（如Na⁺K⁺Ca²⁺, Mg²⁺），會減少沸石對NH⁴⁺的吸附。若將這些雜質去除，必能提高沸石的氨氮吸附容量。

水力特性及反衝洗

由於沸石濾料的形狀不規則，具有較大的孔隙率，試驗結果表明,在相同濾速條件下，沸石濾層的水頭損失比石英砂濾料可減少15%。濾池經過一段時間的運行，由於出水濁度增加或水頭損失升高，需要進行反衝洗以恢復濾池的工作。試驗表明，對試驗所用的沸石粒徑反衝洗強度採用10L/s·m^2，即可達到30%的膨脹率，滿足濾池反衝洗的要求。而石英砂達到同樣的膨脹率，需沖洗強度約12L/s·m²。試驗期間,進水濁度一般低於10NTU，若過濾終點控制在出水濁度不大於3NTU時，過濾周期可達到24～30h，經約5min的反衝洗後,過濾出水濁度即能保持在3NTU以下。試驗期間，未覺察到沸石濾料有破損現象。

用沸石作為濾池濾料，不僅能滿足過濾及反衝洗性能的要求，還可以節省反衝洗水量，降低運行費用。

去除濁度效果

考察在相同粒徑的條件下，沸石和石英砂去除濁度效果的差別，對投加混凝劑並經沉澱濁度在5～ 10NTU的沉澱水進行過濾除濁對比試驗。在相同的濾層高度和濾速（8m/h）的條件下，沸石過濾去除濁度的效果均明顯好於石英砂，這與濾料的外表面的性質有關，沸石的外表面較石英砂要粗糙得多，具有更好的過濾水中懸浮固體和膠體物質的性能。因此，採用沸石代替砂濾池中的砂濾料，不會降低砂濾池原來去除濁度的主要功能。

去除水中有機物效果

沸石去除COD_Mn的效果好於石英砂。去除COD_Mn的作用機理應包括兩個方面：通過過濾作用可以除去有機的懸浮固體、有機膠體物質，使水中的COD_Mn降低；由於是多孔性材料，則沸石還具有吸附作用及生物氧化作用，水中溶解性的低分子的有機物可進入到沸石的微孔中去，被吸附在微孔的表面上被生物氧化，使沸石去除COD_Mn的效果顯著增加。

經過60天的連續運行，白銀沸石濾罐各層濾料去除COD_Mn的能力未見有明顯下降，採用沸石提高濾池去除有機物效果的使用周期估計是較長的。

去除苯酚效果

沸石去除苯酚效果明顯優於石英砂，產生這種效果的原因也是沸石濾層中的生物氧化作用。通過作分層試驗表明，沸石濾料在開始時，對水中的苯酚具有很好的去除效果。在頂部20cm的濾層內苯酚的去除率可達到90%以上，但隨著運行時間的增加，去除率逐漸下降，經過36天的分層取樣、運行監測，在濾料上層60cm部分已經失去對苯酚的吸附去除能力，因此可以推測濾料高度為1.0m的條件下沸石去除苯酚運行周期約為36天。

以沸石為濾料的好處

①沸石的孔隙率大，濾層截污能力強，水頭損失值小於砂濾料，由於其密度比石英砂小，所需的反衝洗強度比石英砂低，可節省反衝洗水量，沸石的耐磨強度能滿足作為給水處理濾料的要求。

②相同粒徑下，沸石濾料去除濁度的效果略好於石英砂。

③沸石去除水中的有機物（高錳酸鹽指數）、苯酚和氨氮的效果明顯優於石英砂。

④沸石對去除上述各種污染物均具有很長的使用周期，確切的使用周期長短有待今後根據不同的原水水質，通過長期的試驗觀測確定。

⑤採用沸石濾料代替石英砂濾料是改善出水水質的一種經濟、簡單的方法，該濾料是一種值得推廣的可行的新型濾料。