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利用剩余污泥吸附重金属离子铜、锌、镉的研究

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2010年第2期 广 东 化 工 www.gdchem.com 207 第37卷总第202期 利用剩余污泥吸附重金属离子铜、锌、镉的研究 谢立祥 ,胡克伟 (1.中机国际工程设计研究院,湖南长沙410007;2.湘潭大学环境科学与工程系,湖南湘潭41 1 105) [摘要】利用剩余污泥对cu 、Zn 、Cd2 三种重金属离子进行吸附研究,考察了pH、吸附时间、污泥投加量、温度等对吸附过程的影 响;并探讨了吸附处理过程中三种重金属离子的等温吸附特性,以及吸掰|数据的线性拟合方程。实验结果表明,剩余污泥对cu 、Zn 、CA2 ̄ 三种重金属离子具有良好的吸附效果,在优化条件下,三种熏金属离子去除率分别达到94.3%、70.5%和81%;三种重金属离子的吸附等温 线均与Langmuir方程吻合较好,吸附能力大小顺序为Cu >Cd >zn 。 [关键词】剩余污泥;重金属;吸附;吸附等温方程 【中圈分类号】x [文献标识码】A [文章编号】1oo7.1865(2010)02—0207—03 Study on Adsorption of Cu 、Zn 、Cd2+with Activated Sludge Xie Lixiang ,Hu Kewei (1.China Machinery International Engineering Design&Research Institute,Hunan 4 1 0007; 2.Department of Environmental Science and Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 4 1 1 1 05,China) Abstract:The adsorption of Cu ,Zn一,Cd with activated sludge was studied The effects of pH,reaction time,Sludge dosage and temperature were investigated Also the adsorption properties of activated sludge towards Cu ,Zn ,Cd was evaluated and itfted The results showed that activated sludge exhibited potential for Cu ,Zn ,Cd adsorption.Under the optimal conditions,the removal rate reached 94 3%,70 5%and 8I%respectivly.Adsorption isotherms ofthese three heavy metals corresponded well with the Langmuir equations and the adsorption capacity of activated sludge towards these three heavy metals was Cu >Cd >Zn2+ Keywords:activated sludge;heavy metal;adsorption;curve iftting 剩余污泥是指城市污水处理厂活性污泥法系统产生的生 物质废物,其成分复杂,处理处置难度大 J。我国城市污水 处理厂5O%以上都采用了活性污泥法,剩余污泥的产生量十 分庞大,且随着城市的发展,新的污水处理厂不断建立,剩余 污泥的产生量越来越大。合理利用剩余污泥,对减少环境污染、 节约资源具有重要意义L4J。 研究发现,剩余污泥是一种良好的生物吸附材料,具有吸 附容量大、选择性好、pH和温度的适用范围广等优点 J。利 用剩余污泥的吸附特性吸附废水中的重金属是一种以废治废 的良好途径,既可以减少废水治理的费用,又可以使污泥得到 有效利用,经济效益、社会效益显著_o’ 。本文以CU2 、Zn 、 cd 为例,探讨了剩余污泥吸附处理cu 、zn 、cd 的各影 响因素,并对其吸附特性及机理进行探讨,以期为剩余污泥的 综合利用提供参考。 pH,置于水浴恒温振荡器(180 r/airn)中于一定温度下往复振荡 定时间,静置, 取上层清液用0.45 1-1 m滤膜抽滤,分析滤液中cu2_、 一zn2T、cd 残留浓度,分别计算其去除率。 1.4分析方法 重金属离子测定:废水经H2SO4一HC104消解、过滤,滤 液采用火焰原子吸收分光光度法测定。 2结果与分析 2.1吸附影响因素研究 2.1.1 pH的影响 取污泥5.0 g,用稀HNO3和稀NaOH调节废水pH至不同 范围,常温往复振荡1.0 h。结果如图1所示。 1实验部分 1.1试剂和仪器 仪器:SHA—C型水浴恒温振荡器,CT1 5RT型高速离心 机,pH一3C型精密pH计,101—0AB型电热鼓风干燥箱, WYX一9003A型原子吸收分光光度计。 试剂:CuS04"5H2O、ZnSO4。7H2O、CdSO4、H2SO4、HCIO4、 HNO3、NaOH均为分析纯。 1_2剩余污泥前处理及废水配制 试验用剩余污泥取自长沙市第二污水处理厂集泥井,将取 来的污泥用蒸馏水洗涤2次后,离心15 rain,弃去上清液, 此时活性污泥含水率为82%(简称污泥),放置冰箱中保存备 用。 实验中重金属废水采用CHSO4-5H2O(AR)、 ZnSO4"7H2O(AR)和CdSO4(AR)配制,Cu 、zn 、C 浓度均 为50mg/L。 pH 图1 pH对吸附去除率的影响 Fig.1 The impact ofpH on the adsorption removal rate 1.3实验方法 每次取cu 、zn 、Cd (50 mg/L)废水300 mL及一定量 污泥加入500mL锥形瓶中,用稀HNO3和稀NaOH调节废水 [收稿日期]2010一叭一24 由图1可知,pH变化对剩余污泥吸附Cu2t、Zn2+、Cd 均有较大影响。当pH=2-5时,三种重金属离子的吸附去除率 [作者简介]谢立祥(1964-),男,湖南桃源人,高级工程师,主要从事固体废物处理与利用技术研究和工程设计。 2010年第2期 208 ur、 .gdchem.com 第37卷总第202期 如 舳 均随pH增加而增大,其中cu 在pH=5、Zn 和cd 在pH=4 时分别达到最大去除效率;当pH>8时,cu 、zn 、cd 三 种离子的吸附率均呈下降趋势。这主要是由于pH较低时,污 泥中所含的蛋白质氨基质子化程度较高,其与重金属配合的能 力较弱,同时体系中大量游离的H 和H3O 会与重金属阳离子 竞争活性吸附位点,使得污泥对重金属离子的吸附量随酸性升 高而降低。当pH过高时,重金属离子水解生成相应的氢氧化 物,产生聚合物沉积在污泥菌体表面,覆盖吸附位点,从而影 响对重金属离子的吸附,因此三种重金属离子的吸附量均随 pH升高而减少。综合考虑,cu 、zn 、cd 三种重金属离 2.1.4温度的影响 取污泥4.17 g,用稀HNO3和稀NaOH调节溶水pH=6.0, 置于不同温度振荡吸附15 min,结果如图4所示。 子最佳吸附pH范围,确定pH=6.0为最佳吸附pH。 2.1 2吸附时间的影响 取污泥5.0 g,用稀HNO3和稀NaOH调节废水pH=6 0, 常温往复振荡不同时间,结果如图2所示。 祷 吸附时间/anin 图2吸附时间对吸附去除率的影响 Fig.2 The impact of time Oil the adsorption removal rate 由图2可知,剩余污泥对cu 、zn 、cd 三种重金属离 子的吸附较为迅速。Cu 、zn 和Cd2 分别在4、15、15 rain 时达到吸附平衡,废液中残留浓度分别为3.21、13.5和 8.7 mg几,去除率达到93.5%、73%和82.5%。综合考虑, Cu 、zn 、Cd 三种重金属离子的最佳吸附时间确定为15 min。 2。1.3污泥投加量的影响 分别取污泥0.4167、0.8337、1.6672、2.4982、3.3336、 4.1659、5.0021、5.8415、6.6670 g,用稀I-INO3和稀NaOH调 节废水pH=6.0,常温振荡吸附15 min,结果如图3所示。 碍 荇泥投加量/(g.L ) 图3污泥投加量对吸附去除率的影响 Fig.3 The impact of sewage sludge addition O13 the adsorption removal rate 由图3可知,随着污泥投加量的增加,重金属离子去除率 逐渐增大,当污泥投加量达到13.89 g/L时,Cu 、Zn 、Cd 三种重金属离子的去除率均趋于稳定,分别为94.3%、70.5% 和81%。 温度/℃ 图4温度对吸附去除率的影响 Fig.4 The impact of temperature on the adsorption removal rate 由图4可知,温度对cu 、zn 、c 三种重金属离子的 去瞄}率基本无影响,因此,吸附过程在自然温度下进行即可。 2-2吸附特性研究 初始pH为6.0、污泥投加量2.0g、废水体积为300 mL, 重金属离子的初始浓度分别为30、60、90、120、150 mg/L, 于常温条件下进行等温吸附实验。为了充分达到吸附平衡,试 验采用振荡时间为3.0 h。剩余污泥对cu 、zn 、cd 三种 金属离子的吸附结果如图5所示。 f 皇 删 莲 餐 辖 平衡浓度/(nag.L ) 图5剩余污泥对Gu“、Zn“、Gd 的等温吸附曲线 Fig.5 The isotherm ofsorpfion for Cu2+Zn2 ,,c by residual sludge 由图5可知,剩余污泥对cu 、zn2+、cd。 三种重金属离 子的平衡吸附量随着离子平衡浓度的增加而增大,开始时增长 速率较快,随着平衡浓度增大,吸附量增加速率逐渐趋于平缓。 根据Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式对上 述等温吸附数据进行线性拟合,结果见表1。 表1 剩余污泥吸附Gu 、Zn“、Gd 等温方程参数 Tab.1 Isothermal equation parameters of Cu ,Zn ,Cd adsorption by residual sludge 2010年第2期 第37卷总第202期 广 东 化 工 w w.gdchem.com 209 由 值可知,剩余污泥对cu 、zn 和Cd 的吸附等温 线与Langmuir方程吻合较好。由Q0和KL值可判断,活性污 泥对这三种重金属离子的吸附能力顺序为Cu >Cd >Zn 。。 能力Xd,N序为cu >Cd >zn2-。 参考文献 [1】余杰,田宁宁,王凯军,等.中国城市污水处理厂污泥处理、处置问题 探讨分析[J].环境工程学报,2007,l(1):82—86 [2]孙文田,谢忠雷,赵晓波.剩余污泥的吸附特性及其在污水处理中的应 用[J].环境保护,2008,(16):71—73. [3】彭晓峰,陶涛,陈剑波,等.国际污泥研究现状初探fJ].自然杂志,2002, 24(4):191—194. 2.3吸附机理分析 剩余污泥处理重金属废水的机理较为复杂,普遍认为主要 是通过菌体的表面吸附和胞内吸收两个机制实现。表面吸附是 指活性污泥微生物的胞外多聚物(甲壳素、壳聚糖等)含有的配 位基团一OH,一COOH,一NH2,PO4 ,一HS等,与金属离子进行 沉淀、络合、离子交换和吸附反应,其特点是快速、可逆和需 能少,与代谢无关。胞内吸收是通过金属离子和细胞内的透膜 酶、水解酶相结合而实现,速度较慢,需要能量,且与代谢有 关 ]。 Cu 、Zn 、Cd 三种金属离子中,以剩余污泥对Cu 的 吸附去除率最高,这与M Prado Acosta等_J叫的研究结果是一 致的。活性污泥对cu 的吸附受其它共存金属离子的影响相 对较少,能够在较短时问内(15 min)就达到很高的吸附去除率, 这表明剩余污泥对Cu 具有选择吸附性和较大的结合系数, 吸附机制是需能少的胞外表面吸附。当cu 浓度较高时沉淀 起到重要作用,浓度较低时离子交换与络合等可能起到更重要 的作用。剩余污泥对zn 和cd 也有较好的吸附去除率,但 较cu 低,这可能是由于zn 和cd 的吸附受其它金属离子 的竞争作用影响较大,适当延长吸附时间有利于吸附率的提 高。 [4]郑立辉,司梅芳,李磊.剩余污泥处理与资源化研究进展[J1.污染防治 技术,2008,21(1):66—68. [5]沈祥信,李小明,曾光明,等.活性污泥吸附重金属离子的研究进展[J].工 业用水与废水,2006,37(4):7-l1. [6]HammainiA,Gonz alezF,BallesterA,et a1.Biosorption ofheavymetals by activated sludge and their desorption characteristics[J].Journal of Environmental Management,2007,84:419—426. [7]Gr∈gofio C.Non—conventional low—cost adsorbents for dye removal:A review[J].Bioresource Technology,2006,97:1061—1085. [8]Guibaud G,Tixier N,Bouju A,et a1.Relation between extracellular polymers composition and its ability to complex Cd, Cu and Pb[J].Chemosphere,2003,52(t0):1701—1710. [9]Osman G,Saadet S,Erdal K.Study of Cu(II)biosorption by dried activated sludge:effect ofphysico—chemical environment and kinetics study[J].Journal ofHazardous Materials,2005,120(1—3):193—200. 3结论 剩余污泥对cu 、Zn 、Cd 三种重金属离子具有良好的 吸附效果,在自然温度下,向初始重金属离子浓度为50 mg/L 的配制水样中,投加含水率为82%的剩余污泥13.89 g/L,调 节pH=6.0,振荡吸附1 5 min,三种重金属离子去除率分别达 到94_3%、70.5%和8 1%;剩余污泥对Cu 具有吸附选择性 和较大的结合系数;剩余污泥对cu 、zn 和c 的吸附等 温线与Langmuir方程吻合较好,对这三种重金属离子的吸附 [1 O}Prado Acosta M,Valdman E,Leite S G F,et a1.Biosorption of copper by Paenibacillus polymyxa cells and their exopolysacchande[ J] . World Journal of Microbiology & Biotechno1ogy,2005,2l(6・7):1 157—1 163. (本文文献格式:谢立祥,胡克伟.利用剩余污泥吸附重金属 离子铜、锌、镉的研究[J].广东化工,2010,37(2):207—209) (上接第206页) [2]梁振益,李嘉诚,罗盛旭等.高效液相色谱法测定蔬菜与水果中阿维菌 素残留量[J].现代农药,2005,4(4):2O一22. (3]杨挺,赵健,张少华等.高效液相色谱法检测土壤中阿维菌素的残留量 【J].福建分析测试,2006,15(4):10一l1. 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