關(guān) 峰，張 亮

硅藻土在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用進展

關(guān) 峰1，張 亮2

（1.青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.中國石油大學(xué)（華東）環(huán)境科學(xué)與工程系，山東 青島 266555）

綜述了硅藻土在廢水、廢氣和土壤等環(huán)境污染治理領(lǐng)域的研究進展和存在的問題，認為硅藻土作為一種物理化學(xué)性能優(yōu)良的添加助劑，表面結(jié)構(gòu)獨特，吸附性能良好，對其進行改性可以適應(yīng)各種需求。許多研究表明，經(jīng)過改性的硅藻土對廢水、廢氣和土壤中重金屬、無機和有機污染物均具有良好的吸附或降解效果，但是大多研究都處于實驗室水平，并且大多都是單因素、單污染因子的實驗研究，而對多因素多污染因子的研究較少。具體應(yīng)用效果還有待于實際應(yīng)用的驗證。

改性硅藻土；環(huán)境污染；修復(fù)；應(yīng)用進展

硅藻土是一種由硅藻及其他微生物的硅質(zhì)遺體沉積而成的生物硅質(zhì)沉積巖，在全球分布十分廣泛，而且資源豐富[1]。其主要化學(xué)成分是無定形的SiO2，礦物成分除硅藻之外，還有各種黏土及白云石等。硅藻土顏色為白色、淺灰色等，有其獨特的物理與化學(xué)特性，具有發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu)、比表面積巨大、質(zhì)輕、吸附能力強、低導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性好，同時其價格便宜，使用操作簡便[2-4]。硅藻土具有有利的物理化學(xué)性質(zhì)，使得其在環(huán)境工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外對采用硅藻土處理廢水、廢氣已經(jīng)有過較多的研究[5-6]，而對土壤修復(fù)方面研究相對較少。硅藻土呈粉體狀，再生困難，在反應(yīng)器中容易流失和堵塞，這些缺陷使得硅藻土在廢水處理上的直接應(yīng)用受到了較大的限制。根據(jù)不同的用途，在不影響硅藻土原有吸附性能的基礎(chǔ)上對其進行物理改性，可以提高硅藻土應(yīng)用的可操作性，這對于提高硅藻土在廢水、廢氣和土壤等修復(fù)方面的應(yīng)用水平具有非常重要的意義。經(jīng)改性后硅藻土可以作為無機載體、填料或穩(wěn)定化劑等，可操作性得到極大提高。本研究旨在通過對硅藻土在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述和分析，為今后的研究開發(fā)工作提供啟發(fā)與參考。

1 硅藻土在廢水處理中的研究與應(yīng)用

1.1 以硅藻土為原料制備改性硅藻土作為吸附劑處理廢水

吸附法對水中污染物質(zhì)的去除率較高，在工程實踐中有著廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用研究較多的廢水處理吸附材料主要有沸石、活性炭、硅藻土、蛭石、蒙脫石及廉價的廢棄物等[1-2，6-7]。硅藻土具有巨大的比表面積，并且硅藻土顆粒中含有大量硅羥基，硅羥基在水溶液中會解離出H+，從而使硅藻土的表面帶有較強的負電荷，是一種性能優(yōu)良的吸附劑[8]。為進一步提高硅藻土的吸附性能，大量研究人員對其進行了一系列的改性工作。范藝等[9]采用表面交聯(lián)法合成了鋯改性硅藻土，并對水體中的磷進行吸附研究，發(fā)現(xiàn)鋯改性硅藻土對磷的吸附量高于純氧化鋯吸附劑，并且其對水體中的磷的吸附量隨pH值的上升而下降，對磷濃度為2 mg/L的富營養(yǎng)化湖水，鋯改性硅藻土投加量大于1.25 g/L時，反應(yīng)后水體中磷濃度即可滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》規(guī)定的湖庫Ⅲ類標準。王芳[10]用過渡金屬（Fe、Cu、Zn）改性硅藻土，研究了其對氨氮的吸附行為，結(jié)果表明，過渡金屬Fe的添加能在一定程度上提高硅藻土的氨氮吸附性能，當Fe的添加量為7%時，氨氮吸附量為1.18 mg/g，氨氮去除率為未改性硅藻土的2.19倍。

1.2 以硅藻土作為原料制備填料

硅藻土作為一種具有豐富微孔結(jié)構(gòu)、巨大比表面積、高孔隙率、吸附能力強、化學(xué)穩(wěn)定性好、資源豐富等優(yōu)點的廉價礦石材料，可以作為制備活性污泥法和生物膜法中填料的原料來提高處理效率。施云芬等[11]利用硅藻土作為主要原料制備填料和MBBR反應(yīng)器中的生物載體，制備的填料可懸浮性能較好，脫氮除磷效果提高明顯。結(jié)果表明，在950℃，膨潤土和碳粉含量分別為30%和10%的條件下，所制備的硅藻土填料的性能優(yōu)良，孔隙均勻，比表面積達到280 m2/g，吸附能力強，出水COD、NH3-N和TP去除率分別為23.96%、63.33%和95.77%。朱健等[12]以硅藻土為主要原料，與超細碳粉、燒結(jié)助劑和粘結(jié)劑按一定比例混合、攪拌、造粒，在設(shè)定程序下煅燒，制備出了硅藻土基多孔吸附填料（DBPAF）并將其用于處理含鉛廢水，結(jié)果表明DBPAF的可操作性明顯提高，孔隙結(jié)構(gòu)得到了明顯改善，DBPAF對水體中Pb2+吸附容量較硅藻土原土（粉體）提高了78.0%。

1.3 硅藻土為原料制備活性污泥法中微生物的載體

活性污泥上棲息著以菌膠團為主的微生物群，對有機物具有很強的吸附與氧化的能力。硅藻土物理特性獨特，具有豐富的孔隙以及比表面積，如果加在活性污泥中，那么微生物就可以通過其多孔結(jié)構(gòu)進行粘附，硅藻土也就能夠作為微生物的載體，從而提高微生物的生物活性，并能減少污泥膨脹[13]，進而提高出水指標。Zhang等[4]通過將硅藻土加入活性污泥系統(tǒng)中，并與原系統(tǒng)進行對比實驗，結(jié)果表明在活性污泥系統(tǒng)中添加硅藻土能夠提高含酚類化合物廢水處理系統(tǒng)中的生物量并且可以增強污泥的沉降性能，顯微電鏡照片顯示，添加的硅藻土可以作為微生物的載體，提高生物量，添加硅藻土能夠提高廢水中COD和總酚的去除率。

1.4 硅藻土作為生產(chǎn)助濾劑及過濾劑

隨著自然水源環(huán)境污染加劇和我國飲水標準的日益提高，飲用水進行深度處理以脫除各種有機物和有害化學(xué)物質(zhì)受到人們的密切關(guān)注。精細過濾器在處理污水過程和凈化水質(zhì)工藝中作用巨大，能將污水的雜質(zhì)自動進行過濾。目前深度處理的精細過濾方法主要有：反滲透、納濾、超濾、臭氧氧化、活性炭吸附和膜分離等[14]。與傳統(tǒng)意義上的精細過濾相比，硅藻土的粒徑比較小，所以出水的懸浮固體的含量和粒徑是遠小于常規(guī)的過濾工藝的；由于硅藻土過濾層較易脫落，其濾膜可以反復(fù)預(yù)涂，這些特點與超濾膜或陶瓷膜過濾相比，克服了超濾膜或陶瓷膜的易堵塞、反洗較困難等技術(shù)性難題，是一種應(yīng)用前途非常好的精密過濾技術(shù)。付蕾等[15]在新疆油田風(fēng)城1號稠油聯(lián)合站污水處理系統(tǒng)現(xiàn)場結(jié)合工業(yè)化需求試驗了硅藻土過濾器，以考察硅藻土過濾器對油田采出水二級過濾的技術(shù)是否具有可行性和經(jīng)濟適用性。結(jié)果表明：硅藻土過濾器處理出水的含油量大部分低于2 mg/L，SS含量大部分低于1.5 mg/L，對比二級過濾指標要求，出水基本滿足要求。羅紅兵等[16]采用燭式硅藻土過濾器，以硅藻土作為助濾劑過濾制堿鹵水，采用恒壓0.18 MPa過濾，硅藻土過濾周期2 h，過濾速率1.2 m3/(m2·h)，負載量 2.5 kg/m2，處理后的鹵水濁度由34.5 NTU降低到2 NTU，效果非常明顯，可以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

2 硅藻土在廢氣和土壤改良處理中的研究與應(yīng)用

2.1 以硅藻土為原料制備多孔材料吸附廢氣中有機污染物

有機污染物特別是揮發(fā)性有機污染物（VOCs）大多具有刺激性和毒性，具有“三致”效應(yīng)，并且可以作為光化學(xué)煙霧的前驅(qū)體，對人類的健康影響較大。吸附法處理VOCs的能耗較低，去除率高，價格也比較低廉，幾乎沒有二次污染。硅藻土價格低廉，且吸附性能良好，近年來，有關(guān)學(xué)者通過對其進行改性，大大提高了硅藻土對有機污染物的吸附能力，Yuan等[17]采用簡便的涂層工藝制備出一種具有高苯去除效率的新型分層多孔硅藻土/硅沸石-1復(fù)合材料。所得復(fù)合材料具有層狀多孔結(jié)構(gòu)，并保留了硅藻土載體的大孔結(jié)構(gòu)，沸石負載量高達60.2%。其為苯分子提供了更多的可能入口，與其他硅沸石材料相比能更好地滲透苯。此外通過硅藻土負載納米TiO2等光催化組分，使其不僅具有吸附甲醛、甲苯、苯酚等有機污染物的功能，而且具有光催化降解這些有機污染物的功能。張棟等[18]采用液相沉積法制備出納米TiO2/硅藻土復(fù)合材料。通過將TiO2負載硅藻土上，提高了TiO2粒子分散性和改善其晶體結(jié)構(gòu)，抑制光生電子與空穴復(fù)合，提高TiO2光催化活性。其研究表明，TiO2負載量為33.3%，40 W日光燈下光照60 min條件下對甲醛降解率最高。

2.2 硅藻土作為穩(wěn)定化劑或土壤改良劑在土壤修復(fù)方面的應(yīng)用

硅藻土具有優(yōu)良的吸附性能，對各種污染物均具有吸附能力，但是目前主要應(yīng)用于水體的治理方面，理論上也能應(yīng)用到土壤中污染物的處理工作中。朱健等[19]發(fā)現(xiàn)硅藻土可以通過孔道內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)達到土壤中鉛的有效固定，并降低其生物有效性，硅藻土對Pb2+吸附動力學(xué)實驗表明，其最大吸附量qm為10.428 mg/g，可有效改良土壤鉛污染狀況。朱健等[20]還發(fā)現(xiàn)以硅藻土作為改良劑能有效固定土壤中的Cd，當添加濃度為30 g/kg時，土壤有效態(tài)Cd穩(wěn)定化率能達到57.2%。此外，無定性的硅藻土顆粒能夠吸附超過其自身體積1.5倍的水分，土壤有效水分含量顯著增加，同時表面多孔性質(zhì)也是肥料的良好載體，對氮磷鉀具有良好的緩釋作用，因此也是一種優(yōu)良的土壤改良劑[1，21-22]。

3 硅藻土在處理環(huán)境污染問題時存在問題及發(fā)展展望

3.1 存在的問題

綜合來看，目前硅藻土在處理廢水廢氣等環(huán)境污染問題所存在問題主要存在于四個方面：第一，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生的工業(yè)廢氣、廢水和土壤等的成分越來越復(fù)雜，而硅藻土和改性硅藻土所具有的性能、性質(zhì)以及性狀越來越難以滿足工業(yè)化處理標準的要求，急需可行的工藝與技術(shù)來提升硅藻土產(chǎn)品的質(zhì)量；第二，對于工業(yè)廢水的處理的這些研究只是單一因素單個污染因子的實驗，沒有考慮其他污染因子的一些影響，但是在實際工業(yè)生產(chǎn)中，廢水廢氣的成分十分復(fù)雜，污染物的種類也非常多，所以說這些實驗所得到的結(jié)果需要實際運行驗證；第三，有些硅藻土制劑的應(yīng)用是以粉末形式，所以在實際運行中可能會對后期處理產(chǎn)生一定影響，較容易造成二次污染；第四，硅藻土在廢水和廢氣的治理方面應(yīng)用較多，而在土壤污染物尤其是在土壤有機污染物治理方面的研究還相對較少。

3.2 發(fā)展展望

硅藻土作為一種新型的環(huán)境修復(fù)劑，發(fā)展?jié)摿薮?，其獨特的結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)異的性能，而且使用硅藻土處理各種污染物方面存在價格低廉、效率高的優(yōu)勢，使其發(fā)展前景十分廣闊。因此需要深入探討硅藻土在工業(yè)廢水、廢氣和土壤的處理中的吸附機理與動力學(xué)特性，找到規(guī)律與影響因素，以滿足硅藻土對不同類型污染物處理的需求。以硅藻土為原料，通過其他物質(zhì)與之結(jié)合，使其改性，優(yōu)勢互補，相互促進，使之發(fā)揮最大效能。另外，一個工業(yè)化的污染物處理系統(tǒng)都是多個工藝結(jié)合，共同作用以發(fā)揮最大效能，因此應(yīng)加強硅藻土處理工藝的研究與其他處理技術(shù)和工藝的結(jié)合，從而形成高效經(jīng)濟的組合處理工藝，這樣既降低了成本，又提高了效率。總之，硅藻土作為新型的材料，應(yīng)用前景十分廣闊，其潛力有待于通過實驗進一步發(fā)掘，從而使其得到充分利用。

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Application Progress of Diatomite in Environmental Engineering

Guan Feng1,Zhang Liang2
（1.College of Environment and Safety Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266042,China;2.Department of Environmental Science and Engineering,China University of Petroleum,Qingdao Shandong 266555,China）

Reviewed the research progress and raised some existing problems of diatomite in the treatment of environmental pollution on wastewater,exhaust gas and soil.Diatomite has excellent physical and chemical properties,unique surface structure and good adsorption performance.After modification,it can be adapted to various needs.Numerous studies showed that modified diatomite good adsorption or degradation effect on heavy metals,inorganic and organic pollutants in wastewater or exhaust gas.However,most of the researches are in the laboratory level.And most of them are single-factor and single-pollution factor experimental study,and there are less research on the effect of multi-factor and multi-pollution factor.Therefore their results need to be verified by practical applications.

modified diatomite,environmental pollution,remediation,application progress

X53

A

1008-813X（2017）05-0054-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.05.14

2017-06-20

關(guān)峰（1993-），男，山東棗莊人，青島科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事土壤污染及其防治技術(shù)方面的研究。

（編輯：程 ?。?/p>