剩余污泥是污水處理廠在處理廢水過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，其產(chǎn)生量大，成分復(fù)雜，若將剩余污泥隨意處置，其中所含的有毒物質(zhì)會對生態(tài)環(huán)境造成很大的危害，因此，必須對剩余污泥進(jìn)行處理。對剩余污泥處理處置的目的主要是減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，通常需要根據(jù)污泥的性質(zhì)選擇一定的處理處置方法，這需要消耗大量的資金。近年來，在國內(nèi)外已有利用剩余污泥吸附處理低濃度重金屬廢水的研究〔1, 2, 3〕，以廢治廢，是剩余污泥處置的又一有效途徑。
筆者利用本市某污水 處理廠的剩余污泥對含汞、砷廢水進(jìn)行吸附處理，對剩余污泥吸附廢水中汞和砷的特性進(jìn)行了研究，探討了pH、吸附時間、剩余污泥投加量對吸附效果的影響，得出剩余污泥吸附處理含汞、砷廢水的最佳條件，并在此條件下考察了其對實際環(huán)境水樣的吸附效果。該項研究可為后續(xù)開發(fā)剩余污泥的綜合利用方法，及利用剩余污泥吸附處理低濃度重金屬工業(yè)廢水提供技術(shù)依據(jù)。
1 實驗材料
1.1 污泥特性及預(yù)處理
取某污水處理廠帶式壓濾車間的新鮮脫水污泥作為實驗用污泥，其含水率為48%,pH為7.02,不含汞和砷。實驗前需對污泥進(jìn)行預(yù)處理，具體方法：首先將剩余污泥用去離子水浸泡30 min,充分?jǐn)嚢韬螅^40目(0.425 mm)篩，以除去污泥中的大顆粒雜質(zhì)及懸浮物，然后于5 000 r/min下離心7 min,棄去上清液，如此反復(fù)清洗3次。將預(yù)處理后污泥收集于聚乙烯容器內(nèi)，密封，于4 ℃條件下保存。為保證剩余污泥的理化性質(zhì)穩(wěn)定，剩余污泥保存2周。
1.2 實驗用模擬水樣
參照本市工業(yè)廢水中汞、砷含量水平配制模擬水樣，其中汞、砷質(zhì)量濃度均為10 μg/L.
2 實驗方法
稱取一定量的剩余污泥于500 mL聚乙烯瓶內(nèi)，加入模擬水樣300 mL,用稀HCl及稀NaOH溶液調(diào)節(jié)廢水pH,然后置于振蕩器上于室溫下振蕩一定時間。靜置30 min,取上清液過0.45 μm濾膜，測定濾液中的汞、砷含量。汞、砷含量的測定依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)。
3 實驗結(jié)果與討論
3.1 pH對吸附效果的影響
在剩余污泥投加量為100 g/L,吸附時間為12 h的條件下，考察了pH對剩余污泥吸附汞和砷的影響，結(jié)果見圖 1。
圖 1 pH對剩余污泥吸附汞和砷的影響
由圖 1可知，隨著pH的增大，剩余污泥對汞、砷的吸附率呈先增大后降低的趨勢。pH 在較低水平時，水中的水合氫離子會占據(jù)吸附劑表面的結(jié)合點位，并且由于同性相斥原理阻礙汞、砷接近細(xì)胞壁，從而影響吸附。當(dāng)pH為5~7時，剩余污泥對汞的吸附率有了顯著提升，達(dá)到88%左右，對砷的吸附率也增至94%左右。這是因為隨著pH的上升，H+濃度下降，剩余污泥表面結(jié)合位點增多，其表面負(fù)電荷密度增大，剩余污泥對汞、砷的吸附率增大。當(dāng)pH=8時，吸附率有所下降，這是因為當(dāng)pH超過汞、砷沉淀上限時，汞、砷形成了氫氧化物沉淀，使得吸附過程無法進(jìn)行。
實驗結(jié)果表明，剩余污泥對砷的吸附效果略優(yōu)于汞，但是剩余污泥吸附汞的適宜pH范圍要比吸附砷寬。當(dāng)pH=7時，剩余污泥對汞、砷的吸附率均達(dá)到最大，此時剩余污泥對砷的吸附率為94.5%,對汞的吸附率為88.4%。
3.2 吸附時間對吸附效果的影響
在pH=7,剩余污泥投加量為100 g/L的條件下，考察了吸附時間對剩余污泥吸附汞和砷的影響，結(jié)果見圖 2。
圖 2 吸附時間對剩余污泥吸附汞和砷的影響
剩余污泥對汞、砷的吸附分為2個階段：首先是汞、砷在細(xì)胞表面發(fā)生被動吸附，這種吸附不需要微生物的代謝就能進(jìn)行且用時較短;其次是細(xì)胞表面被吸附的汞、砷由于微生物的代謝作用而被轉(zhuǎn)移入細(xì)胞體內(nèi)，這種吸附為主動吸附，用時較長。
由圖 2可以看出，剩余污泥對汞、砷的吸附率隨著吸附時間的延長而增大。在前2 h,剩余污泥吸附速度增加較快，進(jìn)行1 h后砷吸附率就達(dá)到了84.8%;而剩余污泥吸附汞的速度相對較慢，吸附進(jìn)行1 h后，吸附率才達(dá)到47.8%.盡管剩余污泥在相同的時間里對汞、砷的吸附率不同，但二者均在2~5h的時間段內(nèi)保持過一段平衡，這可能是由于這段時間主要進(jìn)行被動吸附，而主動吸附在此之后才開始，所以吸附率增加較為緩慢。
吸附時間達(dá)到5 h后，剩余污泥對汞、砷的吸附率隨吸附時間的延長又有了顯著的提升，當(dāng)吸附進(jìn)行12 h后，吸附率基本不再變化，這表明吸附已經(jīng)達(dá)到平衡。從實驗結(jié)果來看，吸附時間的變化對汞、砷吸附率的影響大致相同。吸附進(jìn)行12 h后，剩余污泥對汞、砷的吸附率均達(dá)到最大，此時剩余污泥對砷的吸附率為95.4%,對汞的吸附率為82.2%,剩余污泥對砷的吸附效果要稍優(yōu)于對汞的吸附。
3.3 剩余污泥投加量對吸附效果的影響
在pH=7,吸附時間為12 h的條件下，考察了剩余污泥投加量對剩余污泥吸附汞和砷的影響，結(jié)果如圖 3、圖 4所示。
圖 3 污泥投加量對剩余污泥吸附汞的影響
圖 4 污泥投加量對剩余污泥吸附砷的影響
從圖 3可以看出，當(dāng)剩余污泥投加量為0~100 g/L時，隨著剩余污泥投加量的增大，剩余污泥對汞的吸附率也增大〔4〕。這是因為剩余污泥用量增大，吸附位點增多，比表面積增加，從而使吸附率升高。當(dāng)剩余污泥投加量升至100 g/L以后，隨剩余污泥投加量的增加，剩余污泥對汞的吸附率不再有明顯的變化。另有研究表明，當(dāng)剩余污泥濃度過大時，高濃度的剩余污泥會在其外圍形成屏蔽效應(yīng)，阻止金屬離子與吸附位點的結(jié)合〔5〕。圖 4顯示出與圖 3相似的性質(zhì)，但明顯地，剩余污泥在低濃度時對汞的吸附率的增加幅度較其對砷的吸附率的增加幅度大。
由圖 3和圖 4還可以看出，當(dāng)剩余污泥濃度在較低水平時，剩余污泥對汞、砷的吸附容量均較高，但隨著污泥濃度的提高，剩余污泥對汞、砷的吸附容量隨之下降。這是由于剩余污泥濃度增大，吸附位點增多，而溶液中汞、砷不足，導(dǎo)致單位吸附容量降低。
實驗結(jié)果表明，剩余污泥吸附汞、砷的適宜投加量并不相同，剩余污泥吸附砷的最佳投加量為100 g/L,而剩余污泥吸附汞的最佳投加量為150 g/L.這說明在工程應(yīng)用中，吸附砷所需的剩余污泥量小于吸附汞所需的剩余污泥量。為使剩余污泥對汞、砷的吸附均能達(dá)到最佳效果，后續(xù)實驗選擇剩余污泥投加量為150 g/L。
3.4 等溫吸附模型
利用Langmuir方程對實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表 1。
由表 1可知，剩余污泥對汞、砷的最大吸附容量分別為0.12、0.15 μg/g,這驗證了剩余污泥吸附砷比吸附汞要更容易。b可以表示被吸附離子與吸附劑結(jié)合的穩(wěn)定程度，b值越大，說明吸附的穩(wěn)定程度越高〔6〕。從表 1可以看出，汞與剩余污泥結(jié)合的穩(wěn)定性要優(yōu)于砷。另外，從二者的相關(guān)系數(shù)可以看出，剩余污泥對汞、砷的吸附能較好地符合Langmuir方程。
3.5 汞、砷初始濃度對吸附效果的影響
在汞、砷初始質(zhì)量濃度為0~30 μg/L,剩余污泥投加量為150 g/L,吸附時間為12 h的條件下，考察了汞、砷初始濃度對剩余污泥吸附汞和砷的影響，結(jié)果如圖 5、圖 6所示。
圖 5 汞初始濃度對剩余污泥吸附汞的影響
圖 6 砷初始濃度對剩余污泥吸附砷的影響
由圖 5和圖 6可知，隨著汞、砷初始濃度的增大，剩余污泥對汞、砷的吸附率有所降低。這可能是由于盡管汞、砷初始濃度增大，但剩余污泥投加量保持不變，因此當(dāng)汞、砷初始濃度較高時，剩余污泥缺乏足夠的吸附位點，致使吸附率有所降低。
此外，隨著汞、砷初始濃度的增大，剩余污泥對汞、砷的吸附容量也隨之增大。這是由于當(dāng)汞、砷初始濃度增大時，剩余污泥吸附體系中液相與固相間的濃度梯度有所增大，使吸附容量增大。
3.6 實際水樣驗證結(jié)果
從上述實驗中得出了在模擬水樣環(huán)境下，剩余污泥吸附汞、砷的最佳吸附條件：pH=7,剩余污泥投加量為150 g/L,吸附時間為12 h.在此條件下，采用剩余污泥對本市3家涉汞、砷企業(yè)的實際水樣進(jìn)行了處理，結(jié)果如表 2所示。
由表 2可知，雖然3家企業(yè)的水樣成分不同，但在最佳吸附條件下均達(dá)到較好的效果，說明剩余污泥作為吸附劑可以較好地吸附處理不同水體中的汞和砷。具體參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
利用剩余污泥吸附廢水中的汞和砷，探討了吸附體系pH、剩余污泥投加量、吸附時間等因素對吸附效果的影響，結(jié)果表明，在模擬水樣環(huán)境下，當(dāng)pH=7,剩余污泥投加量為150 g/L,吸附時間為12h時，可以獲得最佳吸附效果;吸附遵循Langmuir定律。研究同時發(fā)現(xiàn)，隨著廢水中汞和砷初始濃度的增大，剩余污泥對二者的吸附率均有所下降，而吸附容量均有所增加。利用此方法處理實際環(huán)境水樣達(dá)到了很好的效果。
