剩余活性污泥對水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附性能研究

吳蘭艷，梅 杰

（銅仁學院 生物科學與化學系，貴州 銅仁 554300 ）

剩余活性污泥對水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附性能研究

吳蘭艷，梅 杰

（銅仁學院 生物科學與化學系，貴州 銅仁 554300 ）

以剩余活性污泥作吸附劑對水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的去除進行了探討。考察了 pH值、吸附時間、吸附劑投加量和金屬離子初始濃度對吸附去除率的影響。剩余活性污泥對Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）均遵循Langmuir等溫線，且對Cr（Ⅵ））的吸附能力大于Cd（Ⅱ）。

剩余活性污泥； 鉻（Ⅵ）； 鎘（Ⅱ）； 生物吸附；等溫線

重金屬污染在我國已經成為一個普遍性的環境問題，而生物吸附法是處理重金屬廢水的主要方法之一。[1][2]采用廉價的生物材料如剩余活性污泥吸附低濃度的重金屬離子在國內外已有報道[3]-[7]，但是利用剩余活性污泥吸附水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的研究報道很少。剩余活性污泥（Waste Activated Sludge）是指采用活性污泥法工序的污水廠，由集泥井排出的不再回流的那部分活性污泥，剩余污泥主要由大量的微生物殘體和有機物質、無機物構成。本文詳細研究了剩余活性污泥對水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附，考察了主要影響因素如pH值、時間、吸附劑投加量、初始濃度對吸附去除量的影響，并在此基礎上，對二者的吸附動力學進行了初步分析。

1.試驗材料與試劑

1.1. 試劑與儀器

試劑：CdSO4和K2Cr2O7（上海市試劑一廠綜合經營公司），HNO3和NaOH（天津市化學試劑批發部），所有的試劑均為分析純。Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）均配制成 1000mgL母液，根據試驗設計再稀釋至各系列實驗濃度。

污泥及其預處理：剩余活性污泥取自銅仁市污水處理廠的集泥井。將取來的活性污泥用蒸餾水洗滌2～3次后，經離心機分離，棄去上清液，即為活性污泥吸附劑，放置冰箱中保存備用。

儀器：85-1型磁力攪拌器（上海精科實業有限公司）、800型離心機（4000rmin，上海化工機械廠）、T6新世紀分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）、ThermoOrion 520A精密pH計（美國）、AR1140型電子分析天平（上海方瑞儀器廠）、DHG-9146電熱恒溫鼓風干燥箱（蘇州威爾實驗用品有限公司）。

1.2. 試驗方法和分析方法

吸取30mL含金屬離子的溶液并置于150mL錐形瓶中，用稀HNO3和稀NaOH溶液調節pH值，加入一定量的預處理后的污泥，按不同的實驗要求，改變實驗條件，進行振蕩吸附（180rmin），過濾，取1mL濾液用0.45μm的濾膜進行抽濾。用分光光度法測定Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）平衡濃度，[8]按式（1）計算出剩余活性污泥對水中Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率。

式中：C0表示溶液的初始金屬離子的濃度（mgL）；

Ct表示吸附t時刻的金屬離子的濃度（mgL）。

2.結果與討論

2.1. pH值對去除率的影響

用稀HNO3和稀NaOH溶液將每個錐形瓶溶液pH 值調為 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，然后在每個錐形瓶分別加入3.0g污泥，往復振蕩1個小時。結果如圖1所示。

圖1 pH值對重金屬離子去除率的影響Fig.1 The effect of pH on the removal of heavy metal by activated sludge

由圖 1可見，Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）去除率隨著溶液pH 值的增大而增大，Cr（Ⅵ）在 pH=5.0，Cd（Ⅱ）在pH=3.0達到最大去除率。

Cr（Ⅵ）的去除率在 pH<3.3時呈上升趨勢，在pH>3.3時趨于平衡。Cd（Ⅱ）的去除率在pH<5.2時呈上升趨勢，在pH>5.2時趨于平衡。這是因為pH值不僅影響到溶液中金屬離子的狀態，而且會影響到吸附劑表面的化學性質。由于pH值降低時，蛋白質中氨基質子化程度增加，其與重金屬配合的能力減弱，而且體系中大量游離的H+和H3O+會與重金屬陽離子競爭吸附位置，使得污泥對重金屬離子的吸附量隨酸性增強而降低。當pH值高于最佳范圍時，重金屬離子水解生成相應的氫氧化物，產生聚合物沉積在菌體表面，使吸附量不再受pH值變化影響。

2.2. 吸附時間對去除率的影響

用稀HNO3和稀NaOH溶液將含Cr（Ⅵ）的溶液的 pH值調為3.0，將含Cd（Ⅱ）的溶液的pH值調為5.0。然后在每個錐形瓶中分別加入3.0g污泥，分別振蕩2、6、8、10、15、30min。結果如圖2所示。

由圖 2可見，隨著時間的延長，去除率增大較快，其中Cr（Ⅵ）在5min時去除率已達95%；Cd（Ⅱ）在15min時去除率為79%。再延長時間，去除率沒多大變化，說明此時吸附已達到平衡。

2.3. 污泥投加量對去除率的影響

用稀HNO3和稀NaOH溶液將含Cr（Ⅵ）的溶液的pH值調為3.0，將含Cd（Ⅱ）的溶液的pH值調為5.0。然后在兩組中每個錐形瓶中分別加入 0.2g、0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、 3.0g、 4..0g、5.0g、 6.0g吸附劑污泥。往復振蕩1小時。結果如圖3所示。

圖2 吸附時間對重金屬離子去除率的影響Fig.2 The effect of time on the removal of heavy metal by activated sludge

圖3 剩余活性污泥投加量對吸附去除率的影響Fig.3 The effect of sorbent dose on the Removal of heavy metal by activated sludge

圖3可見，剩余活性污泥投加量未達到2.0 g 時，隨著吸附劑用量的增加，Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的吸附率均迅速增大。Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率均達最大值，即分別為98%和80%。這可能是由于吸附劑用量增加，使可吸附金屬離子的表面積增大，從而會使更多的金屬離子包圍在吸附劑周圍，使吸附更加充分。而當吸附劑用量達到 2.0g以后，Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的吸附量基本達到平衡。原因可能是由于液相中的Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）在向吸附劑表面傳輸過程中受到阻力或者是吸附劑顆粒之間的聚合和結塊作用阻礙了吸附過程所致，[9]也有可能與吸附劑結合點位之間的靜電感應和排斥作用有關。[10]

2.4. 初始濃度對去除率的影響

用稀HNO3和稀NaOH溶液將含Cr（Ⅵ）的溶液的 pH值調為3.0，將含Cd（Ⅱ）的溶液的pH值調為5.0。然后在每個錐形瓶中分別加入2.0g污泥，分別振蕩12min后，取樣分析測定。結果如圖4所示。

圖4 初始濃度對去除率的影響Fig.4 The effect of initial concentration on the removal of heavy metal by activated sludge

由圖 4可見，去除率隨著金屬離子濃度的增加而下降，當金屬離子的初始濃度從 10mgL提高到50mgL時，Cr（Ⅵ）的去除率從96.1%降為65.4%；Cd（Ⅱ）的去除率從91.1%降為60.2%。投加相同量的剩余活性污泥，吸附劑所具有的吸附點位數目一定，對低濃度的金屬離子溶液，可提供的吸附表面較多，去除率可不受濃度的影響。另外吸附量對初始濃度的關系曲線光滑連續，說明Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）可能是以單層吸附在剩余活性污泥上。[11]因此，當初始濃度較高時，由于致使金屬離子發生競爭吸附，其去除率就會受到限制。

2.5. 吸附等溫線的模擬

由表1中的相關系數r2的值可知，對于Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ），均大于，可得活性污泥對Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附等溫線與Langmuir方程吻合得較好，這說明Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）是以單層吸附在剩余活性污泥上，從而進一步證實了2.4.的推測。Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）最大飽和吸附量Gmax分別為 3.25和 2.37，從而可判斷出剩余活性污泥對Cr（Ⅵ）的吸附能力大于Cd（Ⅱ）。

表1 模型擬合常數Table.1 Parameters of the Langmuir and Freundlich models

3.結論

將剩余活性污泥作為一種生物吸附劑，研究了其對廢水中Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的吸附性能，得出如下結果：

（1）Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率隨著溶液 pH 值的增大而增大，Cr（Ⅵ）在pH=5.0，Cd（Ⅱ）在pH=3.0達到最大去除率。

（2）活性污泥對Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ））吸附過程是一個快速過程，其中Cr（Ⅵ）在5min時去除率已達95%；Cd（Ⅱ）在15min時去除率為79%。

（3）Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率均在污泥投加量為2g時達到最大值，即分別為98%和80%。

（4）當金屬離子的初始濃度從10mgL提高到50mgL時，活性污泥的吸附去除率漸漸下降。在反應12min時，Cr（Ⅵ）的去除率從96.1%降為65.4%；Cd（Ⅱ）的去除率從91.1%降為60.2%。

（5）活性污泥對Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附等溫線與Langmuir方程吻合較好，這說明Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）是以單層吸附在剩余活性污泥上。且剩余活性污泥對Cr（Ⅵ）的吸附能力大于Cd（Ⅱ）。

[1] Ayla“Ozer, Dursun” Ozer. Comparative study of the biosorption of Pb（II）, Ni（II） and Cr（VI） ions onto S.cerevisiae： determination of biosorption heats[J]. Journal of Hazardous Materials, 2003, B100： 219-229.

[2] 李強，張玉臻，陳明.絮凝型生物吸附劑ZL5-2對Cr（Ⅵ）的吸附作用研究[J].水處理技術，2005，31（3）：25-27.

[3] 周利民，劉峙嶸，許文苑.麥麩對重金屬離子的吸附性能研究[J].離子交換與吸附，2005，21（4）：370-375.

[4] 許彩霞，戴友芝，吳愛明.米糠和麥麩對水中Cr（VI）的吸附研究[J].水處理技術，2007，9：53-56.

[5] 李榮華，張增強，孟昭福，李紅艷.玉米秸稈對Cr（Ⅵ）的生物吸附及熱力學特征研究[J].環境科學學報，2009，29（7）：1434-1441.

[6] 李榮華，張院民，張增強，孟昭福，唐次來.農業廢棄物核桃殼粉對Cr（Ⅵ）的吸附特征研究[J].農業環境科學學報，2009，28（8）：1693-1700.

[7] 宗靜婷，丁曉倩，城市污水處理廠剩余污泥資源化途徑探討[J].生態經濟，2011（7）：163-166.

[8] 國家環境保護總局，《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法（第4版）[M].北京：中國環境科學出版社，2002：345-346.

[9] WanNgah W S, Hanaah M A. Removal of heavy metal ions from wastewater by chemically modified plant wastes as adsorbents： a review [J]. BioresourceTechnology, 2008,99（10）： 3935-3948.

[10] Nemr A E. Potential of pomegranate husk carbon for Cr（Ⅵ）removal from wastewater： Kinetic and isotherm studies [J].Journal of Hazardous Materials, 2008, doi： 10. 1016/j.jhazmat. 2008，161（1）： 132-141.

[11] Wang X S, Li Z Z, Tao S R. Removal of chromium（Ⅵ） from aqueous solution using walnut hull [J]. Journal of Environmental Management, 2009, 90（2）： 721-729.

Study of Cr（Ⅵ） and Cd（Ⅱ） Sorption by Activated Sludge

WU Lan-yan, MEI Jie
（ The department of Biological Sciences and Chemistry, Tongren University, Tongren, Guizhou 554300, China ）

This paper reports the removal ofCr（Ⅵ） andCd（Ⅱ） from aqueous solution using residual activated sludge as biosorbents. The effects of various parameters like pH contact time, sorbent dose and initial concentrations were investigated. The Langmuir and Freundlich adsorption models were used to represent the experimental data and equilibrium data fitted well to Langmuir isotherm model forCr（Ⅵ） andCd（Ⅱ）.The results showed that the adsorption ability of residual activated sludge toCr（Ⅵ） is greater thanCd（Ⅱ）.

residual activated sludge;chromium（Ⅵ）;cadmium（Ⅱ）;biosorption;isotherm

（責任編輯 毛志）

X52 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1673-9639 （2011） 06-0141-04

2011-09-13

吳蘭艷（1979-），女，湖南邵陽人，碩士，研究方向：水處理新技術。