剩余活性污泥对水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附性能研究

吴兰艳，梅 杰

（铜仁学院 生物科学与化学系，贵州 铜仁 554300 ）

剩余活性污泥对水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附性能研究

吴兰艳，梅 杰

（铜仁学院 生物科学与化学系，贵州 铜仁 554300 ）

以剩余活性污泥作吸附剂对水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的去除进行了探讨。考察了 pH值、吸附时间、吸附剂投加量和金属离子初始浓度对吸附去除率的影响。剩余活性污泥对Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）均遵循Langmuir等温线，且对Cr（Ⅵ））的吸附能力大于Cd（Ⅱ）。

剩余活性污泥； 铬（Ⅵ）； 镉（Ⅱ）； 生物吸附；等温线

重金属污染在我国已经成为一个普遍性的环境问题，而生物吸附法是处理重金属废水的主要方法之一。[1][2]采用廉价的生物材料如剩余活性污泥吸附低浓度的重金属离子在国内外已有报道[3]-[7]，但是利用剩余活性污泥吸附水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的研究报道很少。剩余活性污泥（Waste Activated Sludge）是指采用活性污泥法工序的污水厂，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残体和有机物质、无机物构成。本文详细研究了剩余活性污泥对水中Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附，考察了主要影响因素如pH值、时间、吸附剂投加量、初始浓度对吸附去除量的影响，并在此基础上，对二者的吸附动力学进行了初步分析。

1.试验材料与试剂

1.1. 试剂与仪器

试剂：CdSO4和K2Cr2O7（上海市试剂一厂综合经营公司），HNO3和NaOH（天津市化学试剂批发部），所有的试剂均为分析纯。Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）均配制成 1000mgL母液，根据试验设计再稀释至各系列实验浓度。

污泥及其预处理：剩余活性污泥取自铜仁市污水处理厂的集泥井。将取来的活性污泥用蒸馏水洗涤2～3次后，经离心机分离，弃去上清液，即为活性污泥吸附剂，放置冰箱中保存备用。

仪器：85-1型磁力搅拌器（上海精科实业有限公司）、800型离心机（4000rmin，上海化工机械厂）、T6新世纪分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）、ThermoOrion 520A精密pH计（美国）、AR1140型电子分析天平（上海方瑞仪器厂）、DHG-9146电热恒温鼓风干燥箱（苏州威尔实验用品有限公司）。

1.2. 试验方法和分析方法

吸取30mL含金属离子的溶液并置于150mL锥形瓶中，用稀HNO3和稀NaOH溶液调节pH值，加入一定量的预处理后的污泥，按不同的实验要求，改变实验条件，进行振荡吸附（180rmin），过滤，取1mL滤液用0.45µm的滤膜进行抽滤。用分光光度法测定Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）平衡浓度，[8]按式（1）计算出剩余活性污泥对水中Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率。

式中：C0表示溶液的初始金属离子的浓度（mgL）；

Ct表示吸附t时刻的金属离子的浓度（mgL）。

2.结果与讨论

2.1. pH值对去除率的影响

用稀HNO3和稀NaOH溶液将每个锥形瓶溶液pH 值调为 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，然后在每个锥形瓶分别加入3.0g污泥，往复振荡1个小时。结果如图1所示。

图1 pH值对重金属离子去除率的影响Fig.1 The effect of pH on the removal of heavy metal by activated sludge

由图 1可见，Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）去除率随着溶液pH 值的增大而增大，Cr（Ⅵ）在 pH=5.0，Cd（Ⅱ）在pH=3.0达到最大去除率。

Cr（Ⅵ）的去除率在 pH<3.3时呈上升趋势，在pH>3.3时趋于平衡。Cd（Ⅱ）的去除率在pH<5.2时呈上升趋势，在pH>5.2时趋于平衡。这是因为pH值不仅影响到溶液中金属离子的状态，而且会影响到吸附剂表面的化学性质。由于pH值降低时，蛋白质中氨基质子化程度增加，其与重金属配合的能力减弱，而且体系中大量游离的H+和H3O+会与重金属阳离子竞争吸附位置，使得污泥对重金属离子的吸附量随酸性增强而降低。当pH值高于最佳范围时，重金属离子水解生成相应的氢氧化物，产生聚合物沉积在菌体表面，使吸附量不再受pH值变化影响。

2.2. 吸附时间对去除率的影响

用稀HNO3和稀NaOH溶液将含Cr（Ⅵ）的溶液的 pH值调为3.0，将含Cd（Ⅱ）的溶液的pH值调为5.0。然后在每个锥形瓶中分别加入3.0g污泥，分别振荡2、6、8、10、15、30min。结果如图2所示。

由图 2可见，随着时间的延长，去除率增大较快，其中Cr（Ⅵ）在5min时去除率已达95%；Cd（Ⅱ）在15min时去除率为79%。再延长时间，去除率没多大变化，说明此时吸附已达到平衡。

2.3. 污泥投加量对去除率的影响

用稀HNO3和稀NaOH溶液将含Cr（Ⅵ）的溶液的pH值调为3.0，将含Cd（Ⅱ）的溶液的pH值调为5.0。然后在两组中每个锥形瓶中分别加入 0.2g、0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、 3.0g、 4..0g、5.0g、 6.0g吸附剂污泥。往复振荡1小时。结果如图3所示。

图2 吸附时间对重金属离子去除率的影响Fig.2 The effect of time on the removal of heavy metal by activated sludge

图3 剩余活性污泥投加量对吸附去除率的影响Fig.3 The effect of sorbent dose on the Removal of heavy metal by activated sludge

图3可见，剩余活性污泥投加量未达到2.0 g 时，随着吸附剂用量的增加，Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的吸附率均迅速增大。Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率均达最大值，即分别为98%和80%。这可能是由于吸附剂用量增加，使可吸附金属离子的表面积增大，从而会使更多的金属离子包围在吸附剂周围，使吸附更加充分。而当吸附剂用量达到 2.0g以后，Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的吸附量基本达到平衡。原因可能是由于液相中的Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）在向吸附剂表面传输过程中受到阻力或者是吸附剂颗粒之间的聚合和结块作用阻碍了吸附过程所致，[9]也有可能与吸附剂结合点位之间的静电感应和排斥作用有关。[10]

2.4. 初始浓度对去除率的影响

用稀HNO3和稀NaOH溶液将含Cr（Ⅵ）的溶液的 pH值调为3.0，将含Cd（Ⅱ）的溶液的pH值调为5.0。然后在每个锥形瓶中分别加入2.0g污泥，分别振荡12min后，取样分析测定。结果如图4所示。

图4 初始浓度对去除率的影响Fig.4 The effect of initial concentration on the removal of heavy metal by activated sludge

由图 4可见，去除率随着金属离子浓度的增加而下降，当金属离子的初始浓度从 10mgL提高到50mgL时，Cr（Ⅵ）的去除率从96.1%降为65.4%；Cd（Ⅱ）的去除率从91.1%降为60.2%。投加相同量的剩余活性污泥，吸附剂所具有的吸附点位数目一定，对低浓度的金属离子溶液，可提供的吸附表面较多，去除率可不受浓度的影响。另外吸附量对初始浓度的关系曲线光滑连续，说明Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）可能是以单层吸附在剩余活性污泥上。[11]因此，当初始浓度较高时，由于致使金属离子发生竞争吸附，其去除率就会受到限制。

2.5. 吸附等温线的模拟

由表1中的相关系数r2的值可知，对于Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ），均大于，可得活性污泥对Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附等温线与Langmuir方程吻合得较好，这说明Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）是以单层吸附在剩余活性污泥上，从而进一步证实了2.4.的推测。Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）最大饱和吸附量Gmax分别为 3.25和 2.37，从而可判断出剩余活性污泥对Cr（Ⅵ）的吸附能力大于Cd（Ⅱ）。

表1 模型拟合常数Table.1 Parameters of the Langmuir and Freundlich models

3.结论

将剩余活性污泥作为一种生物吸附剂，研究了其对废水中Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的吸附性能，得出如下结果：

（1）Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率随着溶液 pH 值的增大而增大，Cr（Ⅵ）在pH=5.0，Cd（Ⅱ）在pH=3.0达到最大去除率。

（2）活性污泥对Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ））吸附过程是一个快速过程，其中Cr（Ⅵ）在5min时去除率已达95%；Cd（Ⅱ）在15min时去除率为79%。

（3）Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）的去除率均在污泥投加量为2g时达到最大值，即分别为98%和80%。

（4）当金属离子的初始浓度从10mgL提高到50mgL时，活性污泥的吸附去除率渐渐下降。在反应12min时，Cr（Ⅵ）的去除率从96.1%降为65.4%；Cd（Ⅱ）的去除率从91.1%降为60.2%。

（5）活性污泥对Cr（Ⅵ）、Cd（Ⅱ）的吸附等温线与Langmuir方程吻合较好，这说明Cr（Ⅵ）和Cd（Ⅱ）是以单层吸附在剩余活性污泥上。且剩余活性污泥对Cr（Ⅵ）的吸附能力大于Cd（Ⅱ）。

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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

（责任编辑 毛志）

X52 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A

1673-9639 （2011） 06-0141-04

2011-09-13

吴兰艳（1979-），女，湖南邵阳人，硕士，研究方向：水处理新技术。