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摘要：本文结合作者多年工作经验，阐述了粉煤灰处理废水的研究现状及应用情况，分析讨论了粉煤灰处理废水的机理，并指出应用中存在的问题及今后的研究方向。粉煤灰是电厂煤燃烧时产生的多孔颗粒状废弃物，具有一定的吸附性。经试验研究发现，如果对粉煤灰进行无机、有机或者物理改性后，或者是能增加孔隙率，或者是能增加表面活性，使吸附性能明显提高。另外还可以把粉煤灰合成混凝剂，如合成聚硅酸铁铝PSAF，在工业污水处理中取得很好的效果，并有广泛的推广价值。同时作为多孔颗粒状物质，是很好的滤料，可应用在生物曝气滤池中。
关键词：工业废水处理；粉煤灰；改性；混凝剂；滤料
0 前言：
改革开放以来，随着我国城市和工业经济的发展，对供热和供电的需求不断增加，随之而来的是粉煤灰的排放量也不断增多。目前我国每年的粉煤灰排放量已达到20亿吨，而且还在以每年1亿吨的速度增加，由于未被利用的粉煤灰的处置方式是堆积废弃处理，不仅占用了大量耕地，而且还浪费了粉煤灰中价值极高的铝铁和稀土资源。因此，综合利用和开发粉煤灰，是实现我国环境保护和低碳经濟的良策。
目前人们主要是针对粉煤灰颗粒较高的孔隙率，将其应用在生活污水、含重金属的工业污水等的处理中，并获得了良好的吸附效果。但是由于粉煤灰的吸附容量比较小，要增加其投量，从而导致污泥产量过多，限制了它的应用。为了提高粉煤灰在污水处理中的利用率，人们进行了大量的研究。本文综合论述了目前粉煤灰改性方法和改性后在水处理中取得的成果，以及根据粉煤灰的化学成分和外貌特征改性后产生的其他用途，如合成混凝剂、制备滤料等。
1粉煤灰的组成与特性
粉煤灰是煤粉燃烧后，跟随烟气自锅炉中飘散出的粉状残留物。粉煤灰的化学成分85%以上为硅、铝等元素的氧化物，另外还有少量的稀有元素（As、Ba、Co、Cu、Pb、Mo、Ni）和未燃烧的炭粒。
由于粉煤灰特殊的形成过程，使得颗粒含有微小气泡和微小活性通道，导致表面呈多孔结构，孔隙率一般为60%～75%，这就使其具有较强的吸附能力，成为污水处理的吸附材料。其吸附性能或者是依靠粉煤灰中含有少量沸石、活性炭的多孔性及较大的比表面，通过分子间引力产生吸附污染物；或者是依靠粉煤灰中硅铝元素的水解产物，絮凝吸附水中带负电的胶体微粒。在通常情况下，沸石、活性炭的物理吸附和硅铝的化学吸附作用同时存在，只是在不同条件（pH值、温度等）下体现出的优势不同。
2粉煤灰改性
粉煤灰颗粒内部由于气体未逸出而形成一些封闭性孔穴，虽也呈蜂窝状，但吸附性能则很小，需用外界的方法打开封闭的孔穴，使之比表面积和孔隙率增加，从而提高处理效率。
2.1化学改性在工业污水处理中的应用
化学改性主要包括无机改性和有机改性。无机改性就是利用酸、碱或盐对原状粉煤灰颗粒进行改性，通过增加比表面积，提高吸附效果。同时改性后的粉煤灰释放出大量的Al3+、Fe3+和H2SiO3等成分，这些物质水解可形成复杂的多核络合物，这些络合物通过缩聚反应形成高分子聚合物吸附污水中的胶体。利用硫酸对粉煤灰改性后，发现硫酸可以使粉煤灰固体微孔中的CaO、MgO等阳离子基团外露，易于直接大红4B中－OH酚羟基发生静电配合作用，使大红4B染料吸附率高达98%。Li等利用熔融固态NaOH，对粉煤灰进行改性，发现对水中的亚甲基蓝和结晶紫有很好的吸附效果。对粉煤灰经过亚铁离子改性后，除磷效率在90%以上。分析原因认为：在适宜pH值条件下，粉煤灰颗粒的活性点Al3+及Fe3+形成Al（OH）3及Fe（OH）3，通过絮凝沉淀降低污水中的磷酸盐。
有机改性就是通过表面活性剂对粉煤灰进行改性，利用表面活性剂固定的亲水亲油基团，使污染物的表面张力下降而被吸附。采用高分子絮凝剂聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）改性粉煤灰，并通过实验得出改性后粉煤灰处理污水的最佳条件（投加量、反应时间、pH、温度），使印染污水的脱色率达87.4%，且脱色后的粉煤灰有很好的沉降性能。通过火法工艺，用丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DAC）活性剂对粉煤灰进行改性后，对煤矿井下污水处理效果较好，主要原因是由于阳离子改性剂可吸附污水中带有阴离子的颗粒。
2.2物理改性在工业污水处理中的应用
粉煤灰的物理改性主要是利用物理手段如光照、微波辐射等，增加吸附材料的吸附性能。把粉煤灰球磨5 h再经过微波处理，得到微波辐照改性超细粉煤灰（MFA），研究MFA对水溶液中偶氮染料甲基橙有很好的吸附性能，并符合二级动力学方程。以粉煤灰为载体，利用光的催化氧化特性，制备粉煤灰/TiO2复合物来降解亚甲基蓝试剂。研究表明在起初亚甲基蓝的减少主要是依靠粉煤灰的吸附作用，随着时间的延长，亚甲基蓝的降低是光催化的作用。而且在最佳投加量和光照下，粉煤灰/TiO2复合物对亚甲基蓝降解率达到了95%以上。
3粉煤灰制备混凝剂
目前粉煤灰在经过酸碱活化后，通过提取铝铁元素，可制备既高效又具有电中和凝聚及吸附架桥作用的混凝剂，同时该类混凝剂还具有原料来源广，价格便宜，处理后水中残留物少等优点，成为国内外学者研究的热点。
3.1粉煤灰制备混凝剂在工业污水中的应用
聚硅酸铁铝（PSAF）作为一种既高效又多功能的无机混凝剂，已经受到越来越多人的注意。通过利用酸液溶出粉煤灰中硅铁，然后将溶出液加入到聚硅酸中，制成PSAF，发现对印染污水有很好的混凝效果，且去除率有所提高。分别利用浓盐酸提取粉煤灰3 Al2O3•SiO2，利用硫酸提取硫铁矿烧渣中Fe3+，两者混合后聚合成新型聚铁硅铝混凝剂。实验结果表明，此混凝剂对大麻污水中CODCr和色度的去除率达分别达到88%和96.6%以上。通过先碱溶后酸溶，提取粉煤灰中铁和铝，并用溶出液制备PSAF。通过光谱实验发现混凝剂主要是通过羟基桥联的铁铝聚合物吸附乳制品中的CODCr和SS。
另外，随着聚铝铁类混凝剂研究的深入，人们在此基础上有了不断地创新。用粉煤灰和赤泥为原料，制备了新型聚合氯化铁铝混凝剂，发现在酸性条件下游离态离子Al3+、Fe3+的存在，能与PO43+结合生成磷酸盐沉淀，降低水中磷的含量。
3.2粉煤灰改性后作助凝剂在工业污水中的应用
粉煤灰的助凝作用主要是因为其含有一定量的二氧化硅，能起到吸附架桥的作用，降低颗粒Zeta电位，当颗粒表面部分被助凝剂覆盖时，就会获得最佳絮凝效果。此外，粉煤灰作为助凝剂为絮凝提供了凝聚晶核，为絮体的迅速长大创造了条件。
以粉煤灰作为含镍污水化学中和—混凝沉淀处理中的助凝助沉剂，既通过中和作用形成Ni（OH）2沉淀，又可以利用粉煤灰的助凝作用，处理后可以使出水Ni2+质量浓度小于1 mg/L。利用酸溶法，制备了粉煤灰基絮凝剂PAFCC，并用来处理城市垃圾渗滤液，原因是所含粉煤灰细粒中Si－O和Al－O活性基团与吸附质化学链或离子发生结合。
4粉煤灰制备滤料
近年来，随着对生物滤池的研究的深入，发现滤料性能的优劣影响着工艺的处理效果和运行控制，故选择合适的滤料对生物滤池工艺的推广和应用有非常大的意义。
通过把粉煤灰与粘土混合后，添加有机造孔剂，烧结得成品。制备的滤料不仅充分利用了工业废渣，而且由于造孔剂的作用，使得滤料非常有利于生物挂膜，处理污水有很好的效果。以红粘土、粉煤灰、页岩为主要原料，通过加入适量的化工原料，研制出一种性能稳定的多孔球形轻质陶粒滤料，处理焦化污水取得良好效果。通过向粉煤灰中添加造孔和添加粘土，在高温下烧制了一种强度高、比表面积大的滤料。研究结果发现，滤料对氟离子吸附是依靠微孔表面氧化物的多种不同作用点Si、Al、Fe、Ca，且形成的分子主要以多分子层的方式存在。
5 展望
粉煤灰经过改性后在污水的处理中取得了成果，但是随着对粉煤灰深入研究，发现还存在一些尚待解决的问题，需要进一步完善。
（1）粉煤灰用于污水处理时，吸附饱和后的粉煤灰最终处置问题。若产生的污泥无毒，可以制砖；若有毒，有害污染物脱附进入自然界，会造成二次污染。必须引起足够重视，因此需要在有害元素含量及影响其溶出的因素的研究中有所突破，从而增加粉煤灰在污水处理中的利用率。
（2）粉煤灰中含有一些未燃尽的炭粒，可以作为制备活性炭的原料。通过实验提取粉煤灰中未燃尽炭粒制备的活性炭，发现具有很好的吸附性能。因此如何更好地利用未燃尽的炭粒，将是粉煤灰以后研究方向之一。
（3）探索粉煤灰和其它材料的联合使用。如在改性吸附上可以与高级氧化技术结合，增加吸附性能；在制备混凝剂上可以运用聚硅酸和高铁基聚合，形成高效的混凝效果；在制备滤料时，可考虑粉煤灰与沸石或者其他多孔材料的联合使用，提高曝气生物滤池的运行效率。
关键词：工业废水处理；粉煤灰；改性；混凝剂；滤料
0 前言：
改革开放以来，随着我国城市和工业经济的发展，对供热和供电的需求不断增加，随之而来的是粉煤灰的排放量也不断增多。目前我国每年的粉煤灰排放量已达到20亿吨，而且还在以每年1亿吨的速度增加，由于未被利用的粉煤灰的处置方式是堆积废弃处理，不仅占用了大量耕地，而且还浪费了粉煤灰中价值极高的铝铁和稀土资源。因此，综合利用和开发粉煤灰，是实现我国环境保护和低碳经濟的良策。
目前人们主要是针对粉煤灰颗粒较高的孔隙率，将其应用在生活污水、含重金属的工业污水等的处理中，并获得了良好的吸附效果。但是由于粉煤灰的吸附容量比较小，要增加其投量，从而导致污泥产量过多，限制了它的应用。为了提高粉煤灰在污水处理中的利用率，人们进行了大量的研究。本文综合论述了目前粉煤灰改性方法和改性后在水处理中取得的成果，以及根据粉煤灰的化学成分和外貌特征改性后产生的其他用途，如合成混凝剂、制备滤料等。
1粉煤灰的组成与特性
粉煤灰是煤粉燃烧后，跟随烟气自锅炉中飘散出的粉状残留物。粉煤灰的化学成分85%以上为硅、铝等元素的氧化物，另外还有少量的稀有元素（As、Ba、Co、Cu、Pb、Mo、Ni）和未燃烧的炭粒。
由于粉煤灰特殊的形成过程，使得颗粒含有微小气泡和微小活性通道，导致表面呈多孔结构，孔隙率一般为60%～75%，这就使其具有较强的吸附能力，成为污水处理的吸附材料。其吸附性能或者是依靠粉煤灰中含有少量沸石、活性炭的多孔性及较大的比表面，通过分子间引力产生吸附污染物；或者是依靠粉煤灰中硅铝元素的水解产物，絮凝吸附水中带负电的胶体微粒。在通常情况下，沸石、活性炭的物理吸附和硅铝的化学吸附作用同时存在，只是在不同条件（pH值、温度等）下体现出的优势不同。
2粉煤灰改性
粉煤灰颗粒内部由于气体未逸出而形成一些封闭性孔穴，虽也呈蜂窝状，但吸附性能则很小，需用外界的方法打开封闭的孔穴，使之比表面积和孔隙率增加，从而提高处理效率。
2.1化学改性在工业污水处理中的应用
化学改性主要包括无机改性和有机改性。无机改性就是利用酸、碱或盐对原状粉煤灰颗粒进行改性，通过增加比表面积，提高吸附效果。同时改性后的粉煤灰释放出大量的Al3+、Fe3+和H2SiO3等成分，这些物质水解可形成复杂的多核络合物，这些络合物通过缩聚反应形成高分子聚合物吸附污水中的胶体。利用硫酸对粉煤灰改性后，发现硫酸可以使粉煤灰固体微孔中的CaO、MgO等阳离子基团外露，易于直接大红4B中－OH酚羟基发生静电配合作用，使大红4B染料吸附率高达98%。Li等利用熔融固态NaOH，对粉煤灰进行改性，发现对水中的亚甲基蓝和结晶紫有很好的吸附效果。对粉煤灰经过亚铁离子改性后，除磷效率在90%以上。分析原因认为：在适宜pH值条件下，粉煤灰颗粒的活性点Al3+及Fe3+形成Al（OH）3及Fe（OH）3，通过絮凝沉淀降低污水中的磷酸盐。
有机改性就是通过表面活性剂对粉煤灰进行改性，利用表面活性剂固定的亲水亲油基团，使污染物的表面张力下降而被吸附。采用高分子絮凝剂聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）改性粉煤灰，并通过实验得出改性后粉煤灰处理污水的最佳条件（投加量、反应时间、pH、温度），使印染污水的脱色率达87.4%，且脱色后的粉煤灰有很好的沉降性能。通过火法工艺，用丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DAC）活性剂对粉煤灰进行改性后，对煤矿井下污水处理效果较好，主要原因是由于阳离子改性剂可吸附污水中带有阴离子的颗粒。
2.2物理改性在工业污水处理中的应用
粉煤灰的物理改性主要是利用物理手段如光照、微波辐射等，增加吸附材料的吸附性能。把粉煤灰球磨5 h再经过微波处理，得到微波辐照改性超细粉煤灰（MFA），研究MFA对水溶液中偶氮染料甲基橙有很好的吸附性能，并符合二级动力学方程。以粉煤灰为载体，利用光的催化氧化特性，制备粉煤灰/TiO2复合物来降解亚甲基蓝试剂。研究表明在起初亚甲基蓝的减少主要是依靠粉煤灰的吸附作用，随着时间的延长，亚甲基蓝的降低是光催化的作用。而且在最佳投加量和光照下，粉煤灰/TiO2复合物对亚甲基蓝降解率达到了95%以上。
3粉煤灰制备混凝剂
目前粉煤灰在经过酸碱活化后，通过提取铝铁元素，可制备既高效又具有电中和凝聚及吸附架桥作用的混凝剂，同时该类混凝剂还具有原料来源广，价格便宜，处理后水中残留物少等优点，成为国内外学者研究的热点。
3.1粉煤灰制备混凝剂在工业污水中的应用
聚硅酸铁铝（PSAF）作为一种既高效又多功能的无机混凝剂，已经受到越来越多人的注意。通过利用酸液溶出粉煤灰中硅铁，然后将溶出液加入到聚硅酸中，制成PSAF，发现对印染污水有很好的混凝效果，且去除率有所提高。分别利用浓盐酸提取粉煤灰3 Al2O3•SiO2，利用硫酸提取硫铁矿烧渣中Fe3+，两者混合后聚合成新型聚铁硅铝混凝剂。实验结果表明，此混凝剂对大麻污水中CODCr和色度的去除率达分别达到88%和96.6%以上。通过先碱溶后酸溶，提取粉煤灰中铁和铝，并用溶出液制备PSAF。通过光谱实验发现混凝剂主要是通过羟基桥联的铁铝聚合物吸附乳制品中的CODCr和SS。
另外，随着聚铝铁类混凝剂研究的深入，人们在此基础上有了不断地创新。用粉煤灰和赤泥为原料，制备了新型聚合氯化铁铝混凝剂，发现在酸性条件下游离态离子Al3+、Fe3+的存在，能与PO43+结合生成磷酸盐沉淀，降低水中磷的含量。
3.2粉煤灰改性后作助凝剂在工业污水中的应用
粉煤灰的助凝作用主要是因为其含有一定量的二氧化硅，能起到吸附架桥的作用，降低颗粒Zeta电位，当颗粒表面部分被助凝剂覆盖时，就会获得最佳絮凝效果。此外，粉煤灰作为助凝剂为絮凝提供了凝聚晶核，为絮体的迅速长大创造了条件。
以粉煤灰作为含镍污水化学中和—混凝沉淀处理中的助凝助沉剂，既通过中和作用形成Ni（OH）2沉淀，又可以利用粉煤灰的助凝作用，处理后可以使出水Ni2+质量浓度小于1 mg/L。利用酸溶法，制备了粉煤灰基絮凝剂PAFCC，并用来处理城市垃圾渗滤液，原因是所含粉煤灰细粒中Si－O和Al－O活性基团与吸附质化学链或离子发生结合。
4粉煤灰制备滤料
近年来，随着对生物滤池的研究的深入，发现滤料性能的优劣影响着工艺的处理效果和运行控制，故选择合适的滤料对生物滤池工艺的推广和应用有非常大的意义。
通过把粉煤灰与粘土混合后，添加有机造孔剂，烧结得成品。制备的滤料不仅充分利用了工业废渣，而且由于造孔剂的作用，使得滤料非常有利于生物挂膜，处理污水有很好的效果。以红粘土、粉煤灰、页岩为主要原料，通过加入适量的化工原料，研制出一种性能稳定的多孔球形轻质陶粒滤料，处理焦化污水取得良好效果。通过向粉煤灰中添加造孔和添加粘土，在高温下烧制了一种强度高、比表面积大的滤料。研究结果发现，滤料对氟离子吸附是依靠微孔表面氧化物的多种不同作用点Si、Al、Fe、Ca，且形成的分子主要以多分子层的方式存在。
5 展望
粉煤灰经过改性后在污水的处理中取得了成果，但是随着对粉煤灰深入研究，发现还存在一些尚待解决的问题，需要进一步完善。
（1）粉煤灰用于污水处理时，吸附饱和后的粉煤灰最终处置问题。若产生的污泥无毒，可以制砖；若有毒，有害污染物脱附进入自然界，会造成二次污染。必须引起足够重视，因此需要在有害元素含量及影响其溶出的因素的研究中有所突破，从而增加粉煤灰在污水处理中的利用率。
（2）粉煤灰中含有一些未燃尽的炭粒，可以作为制备活性炭的原料。通过实验提取粉煤灰中未燃尽炭粒制备的活性炭，发现具有很好的吸附性能。因此如何更好地利用未燃尽的炭粒，将是粉煤灰以后研究方向之一。
（3）探索粉煤灰和其它材料的联合使用。如在改性吸附上可以与高级氧化技术结合，增加吸附性能；在制备混凝剂上可以运用聚硅酸和高铁基聚合，形成高效的混凝效果；在制备滤料时，可考虑粉煤灰与沸石或者其他多孔材料的联合使用，提高曝气生物滤池的运行效率。