陳 帥，劉峙嶸，吳振宇

1.東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013；2.東華理工大學(xué)核工程技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330013

活性污泥胞外聚合物對鈾酰離子的吸附性能

陳 帥1，劉峙嶸1，吳振宇2

1.東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西南昌 330013；2.東華理工大學(xué)核工程技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330013

用乙酸鈉培養(yǎng)馴化了取自污水處理廠的活性污泥，采用NaOH提取法從活性污泥中提取了胞外聚合物（EPS）。用靜態(tài)法研究了EPS對鈾酰離子的吸附行為，探討了溫度、pH、反應(yīng)時間、EPS投加量和離子強(qiáng)度等因素對鈾酰離子吸附效果的影響，進(jìn)行了吸附熱力學(xué)、吸附動力學(xué)研究，對比了EPS吸附鈾酰離子前后的紅外譜圖。結(jié)果表明：最佳吸附溫度為25℃，最佳吸附時間為120min，EPS最佳投加量為300mg／L，離子強(qiáng)度對吸附影響較大；吸附熱力學(xué)和動力學(xué)研究表明，吸附過程更符合Freundlich吸附模型和假二級反應(yīng)動力學(xué)模型。

活性污泥；胞外聚合物；鈾酰離子；吸附

核能的開發(fā)和利用給人類帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，但是也不可避免產(chǎn)生了大量的放射性廢物，給人類的生存環(huán)境帶來了較大的威脅。放射性廢水是放射性廢物的重要組成部分，放射性廢水的處理問題也是放射性廢物處理研究的重要問題之一。

目前處理放射性廢水的方法有很多，其中生物吸附法具有去除率高、成本低、易于降解、無毒等優(yōu)點［1］。大量的研究表明，活性污泥胞外聚合物（EPS）作為一種新型生物吸附劑對重金屬離子具有很好的吸附性能［2－4］。并且，EPS從活性污泥中獲得，解決了一部分污泥的出路，減少了污泥廢物，降低了對環(huán)境帶來的污染。因此，對其開展一系列的研究工作非常有意義。國外對EPS的研究起步較早，而且關(guān)于EPS對重金屬吸附作用的研究側(cè)重于重金屬離子的吸附過程和機(jī)理。Guibaud［5］研究發(fā)現(xiàn)，氫離子與金屬離子之間交換不是EPS吸附金屬離子的唯一吸附機(jī)理，它的吸附機(jī)理還有陽離子交換、配位基或菌膠團(tuán)周圍的電場作用等。國內(nèi)用EPS進(jìn)行重金屬吸附試驗的文獻(xiàn)報道較多，但是用來進(jìn)行含鈾廢水吸附的相關(guān)報導(dǎo)卻很少。苑士超［6］對厭氧活性污泥胞外聚合物除鈾試驗的研究表明，用NaOH法提取獲得的厭氧污泥EPS，對鈾表現(xiàn)出良好的吸附性能，鈾去除率可高達(dá)98.3%。本工作擬采用靜態(tài)吸附法研究好氧活性污泥胞外聚合物對鈾酰離子的吸附情況，并進(jìn)行吸附熱力學(xué)、動力學(xué)研究及吸附前后紅外譜圖比對，探索吸附機(jī)理，以此為相關(guān)學(xué)者提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

所用試劑除了溴化鉀為光譜純外，其他試劑均為市售分析純。試驗用水均為去離子水。

721E型可見光分光光度計，上海光譜儀器有限公司；UV－754型紫外可見光分光光度計，上海光譜儀器有限公司；Flash EA1112型元素分析儀，Thermo Electron SPA公司；PHS－3C型pH計，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；Nicolet－5700型紅外吸收光譜儀，Thermo Nicolet公司；SHA－B型水浴恒溫震蕩器，常州國華電器有限公司；AR124CN型電子分析天平，感量為0.000 1g，奧豪斯儀器（上海）有限公司；FD－1A－50型真空冷凍干燥箱，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。

1.2 活性污泥的培養(yǎng)及其胞外聚合物的提取

1.2.1 活性污泥的培養(yǎng)與馴化 活性污泥取自江西撫州市污水處理廠A／O池的好氧段，采用SBR反應(yīng)器培養(yǎng)。向裝培養(yǎng)液的SBR反應(yīng)器加入乙酸鈉，最后加入接種污泥，曝氣攪拌，對活性污泥進(jìn)行馴化培養(yǎng)。馴化的周期為12h，其中進(jìn)水階段30min、曝氣反應(yīng)階段9h、沉淀階段1.5h、排水排泥階段30min以及閑置階段30min?；钚晕勰嘣趯嶒炇沂覝貤l件下培養(yǎng)，溶液中溶解氧量控制在3～5mg／L，調(diào)節(jié)pH＝6.5～7.5。每一個周期開始之前，排出5L經(jīng)沉淀階段沉淀下來的上清液，再補齊5L配置的培養(yǎng)溶液，使得混合后培養(yǎng)液的化學(xué)需氧量（用K2Cr2O7法測定，簡寫為CODcr）大約為600mg／L。曝氣階段結(jié)束前的20min內(nèi)，反應(yīng)器排出1L的混合溶液。培養(yǎng)過程中采用不間斷監(jiān)測的方法來監(jiān)測反應(yīng)器中活性污泥的4項參數(shù)污泥沉降比（SV）、污泥濃度（MLSS）、污泥體積指數(shù)（SVI）、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）及培養(yǎng)溶液的CODcr，只有當(dāng)上述5個參數(shù)穩(wěn)定時間達(dá)10d以上，取樣實驗才可開始進(jìn)行。

1.2.2 胞外聚合物的提取 采用NaOH提取法對EPS進(jìn)行提?。海?）取適量SBR反應(yīng)器中的活性污泥于燒杯中，用去離子水清洗，靜置30min倒掉上清液，再用去離子水補齊繼續(xù)靜置30min，如此反復(fù)操作3次，得到試驗所需活性污泥；（2）用NaOH溶液將污泥的pH調(diào)為11，緩慢攪拌15min，用冷凍離心機(jī)在轉(zhuǎn)速為10 000r／min、溫度為4℃的條件下離心20min，上清液用濾膜過濾，得到了較粗的EPS溶液；（3）將粗EPS溶液的pH調(diào)至中性，轉(zhuǎn)移到透析袋（分子截留量為8 000～14 000）中，并將透析袋放在體積為2L的大燒杯中，燒杯加去離子水1 500mL，用磁力攪拌器攪拌6h，每隔1h換水一次。經(jīng)6h的透析之后得到了純度較高的EPS溶液。

1.3 活性污泥胞外聚合物組分的測定、元素分析以及紅外光譜表征

試驗分別用苯酚－硫酸法、雙縮脲法以及紫外分析法測定EPS中多糖、蛋白質(zhì)以及核酸的含量。并且用元素分析儀對EPS中的C、N、H三種元素進(jìn)行含量分析。將冷凍干燥好的EPS固體樣品與溴化鉀按照1∶200的質(zhì)量比均勻混合，倒入研缽研磨10min，過篩（2μm）之后壓片，將制成片狀的樣品放入到紅外光譜儀中進(jìn)行紅外光譜表征。1.4 活性污泥胞外聚合物吸附鈾酰離子研究

在250mL的錐形瓶中加入EPS、鈾酰離子標(biāo)準(zhǔn)溶液、硝酸鉀溶液和去離子水，體積之和為100mL，用稀硝酸溶液和稀氫氧化鈉溶液將混合溶液的初始pH值調(diào)節(jié)成一定值后，將錐形瓶放在恒溫水浴振蕩器內(nèi)振蕩，振蕩的頻率設(shè)定為200r／min，設(shè)定一定溫度和時間；振蕩吸附后，從錐形瓶中吸取50mL樣品溶液，裝入透析袋（截留分子量為8 000～14 000）中，然后將透析袋放入裝有500mL去離子水體積為1L的大燒杯內(nèi)透析6h［7］，取少量透析袋外面的水樣，用偶氮胂（Ⅲ）分光光度法測定水樣中的鈾離子濃度，進(jìn)而計算出錐形瓶溶液中殘余的鈾酰離子濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 EPS組分以及元素分析

試驗測得EPS總量為16.851mg／g（以MLSS計），EPS中多糖、蛋白質(zhì)、核酸的含量分別為8.512、0.822、3.532mg／g（以MLSS計，下同），三種物質(zhì)分別占EPS總量的50.513%、4.878%、20.960%。其中多糖含量最大，超過50%，這跟當(dāng)前的一些研究結(jié)果相吻合。元素分析儀測得EPS中C、N、H含量分別為520.100、95.123、90.002mg／g。

2.2 不同吸附溫度對EPS吸附鈾酰離子的影響

在鈾酰離子初始質(zhì)量濃度20mg／L、c（KNO3）＝0mol／L、ρ（EPS）＝200mg／L、pH＝3.0、反應(yīng)時間120min的試驗條件下，進(jìn)行溫度（θ）對鈾酰離子吸附影響的試驗，結(jié)果示于圖1。由圖1可知，EPS對鈾酰離子的吸附率隨著溫度的升高而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但吸附率增長的數(shù)值并不明顯。這與苑士超［6］、陶琴琴［8］等的研究結(jié)果相一致。選取體系溫度為25℃作為后續(xù)實驗吸附反應(yīng)溫度。

圖1 不同吸附溫度下EPS對鈾酰離子的吸附Fig.1 Adsorption of uranyl ion on EPS at different temperatures

2.3 不同pH對EPS吸附鈾酰離子的影響

在鈾酰離子初始質(zhì)量濃度20mg／L、c（KNO3）＝0mol／L、ρ（EPS）＝200mg／L、反應(yīng)時間120min、反應(yīng)溫度25℃的試驗條件下，進(jìn)行pH對鈾酰離子吸附影響試驗，結(jié)果示于圖2。由圖2可知：EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附受pH的影響很強(qiáng)烈，隨著pH的升高，吸附率逐漸增大；在pH＝2.0～4.0，EPS對鈾酰離子的吸附率隨著pH的升高而迅速增大；當(dāng)pH＞6.0以后，吸附率曲線趨于平坦，吸附率穩(wěn)定在90%以上。這可能是因為，在低pH環(huán)境中，溶液中大量的H＋與鈾酰離子爭奪EPS上的結(jié)合位點，并使EPS表面質(zhì)子化，增加其表面張力，導(dǎo)致吸附效率不高。溶液的pH并不是越高越好，為了防止鈾酰離子水解以及沉淀因素［9］對實驗的影響，選取pH＝3.0作為后續(xù)實驗吸附反應(yīng)的pH。

圖2 pH對EPS吸附鈾酰離子的影響Fig.2 Influence of pH on the adsorption of uranyl to EPS

2.4 不同吸附時間對EPS吸附鈾酰離子的影響

圖3 不同吸附時間下EPS對鈾酰離子的吸附Fig.3 Adsorption of uranyl ion on EPS in different time

在鈾酰離子初始質(zhì)量濃度20mg／L、c（KNO3）＝0mol／L、ρ（EPS）＝200mg／L、反應(yīng)溫度25℃、pH＝3.0的試驗條件下，進(jìn)行反應(yīng)時間（t）對鈾酰離子吸附影響試驗，結(jié)果示于圖3。由圖3可知：EPS對鈾酰離子的吸附率隨振蕩吸附時間的增加而增大，反應(yīng)剛開始的5～30min，EPS對鈾酰離子的吸附較快，吸附效率增加的趨勢非常顯著；在30～60min這個階段吸附率增長變緩；當(dāng)吸附反應(yīng)時間達(dá)到120min時，吸附率基本接近平衡值；繼續(xù)增大吸附時間，吸附率基本不變，趨于穩(wěn)定。這可能是因為在反應(yīng)剛開始時，EPS上存在較多的吸附位點，這些位點都可以提供給EPS來吸附溶液中的鈾酰離子；而吸附反應(yīng)發(fā)生一段時間后，EPS上的吸附位點減少，并且吸附位點上附著的鈾酰離子與溶液體系中的鈾酰離子之間存在同電荷斥力，導(dǎo)致了吸附效率增長的速率變緩；繼續(xù)吸附使得EPS上的吸附位點趨于飽和，溶液體系中鈾酰離子很難被EPS上的吸附位點吸附。從實驗結(jié)果來看，EPS對鈾酰離子的吸附比較合適的吸附反應(yīng)時間為120min，因此在之后的實驗中，選取120min作為后續(xù)實驗的吸附反應(yīng)時間。

2.5 不同EPS投加量對EPS吸附鈾酰離子的影響

在鈾酰離子初始質(zhì)量濃度20mg／L、c（KNO3）＝0mol／L、反應(yīng)溫度25℃、pH＝3.0、反應(yīng)時間為120min的試驗條件下，進(jìn)行EPS濃度對鈾酰離子吸附影響試驗，結(jié)果示于圖4。由圖4可知：在開始階段，EPS對鈾酰離子的吸附率隨著EPS投加量的增加而顯著升高，繼續(xù)增大EPS投加量，吸附率增速減緩，當(dāng)投加量到達(dá)一定數(shù)值之后，EPS對鈾酰離子的吸附率基本保持不變。然而，隨著EPS投加量的增加，EPS對鈾酰離子的吸附量卻逐漸減小。造成此類現(xiàn)象的原因可能是：EPS量的增加提供了更多的吸附位點，但進(jìn)一步增加時，高分子鏈狀的EPS分子在水中展開程度降低，其吸附位點可能被包埋在內(nèi)。從實驗結(jié)果可以得出，EPS的最佳投放量為300mg／L，相對應(yīng)鈾酰離子的吸附率為68.328%。

圖4 不同EPS投加量下EPS對鈾酰離子的吸附Fig.4 Adsorption of uranyl ion on EPS in different dosages of EPS

2.6 不同離子強(qiáng)度對EPS吸附鈾酰離子的影響在鈾酰離子初始質(zhì)量濃度20mg／L、反應(yīng)溫度25℃、pH＝3.0、反應(yīng)時間為120min、ρ（EPS）＝200mg／L的試驗條件下，進(jìn)行離子強(qiáng)度對鈾酰離子吸附影響試驗，結(jié)果示于圖5。由圖5可知：隨著溶液體系中KNO3初始濃度的增加，EPS對鈾酰離子的吸附率呈現(xiàn)下降的趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因是，KNO3初始濃度的增加使得溶液體系中電解質(zhì)濃度增加，削弱了EPS與鈾酰離子之間的靜電作用［10］；另外，在溶液體系中的電解質(zhì)還會同溶液中的鈾酰離子一起競爭EPS上的吸附位點進(jìn)而參與到表面吸附反應(yīng)中來，降低了EPS對溶液中鈾酰離子的吸附率，尤其是當(dāng)溶液體系中離子強(qiáng)度在不同量級的時候，上述現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為明顯。

圖5 不同離子強(qiáng)度下EPS對鈾酰離子的吸附Fig.5 Adsorption of uranyl ion on EPS in different ionic strength

2.7 吸附熱力學(xué)研究

在研究吸附反應(yīng)機(jī)理的過程中，比較常用的方程有兩個［11－12］：一個是Freundlich方程，ln qe＝

ln Qf＋nlnρe；另外一個是Langmiur方程其中：qe，吸附反應(yīng)達(dá)到平衡時EPS對鈾酰離子的吸附量，mg／g；Qf，F(xiàn)reundlich方程等溫式中吸附容量，mg／L；n，F(xiàn)reundlich方程等溫式中模型常數(shù)；ρe，鈾酰離子平衡質(zhì)量濃度，mg／L；qmax，EPS對鈾酰離子的最大吸附量，mg／g；Kl，Langmuir方程等溫式中吸附反應(yīng)平衡常數(shù)，L／mg。為了探索EPS對溶液中鈾酰離子的吸附機(jī)理，將用以上兩個方程來對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

在25℃、pH＝3.0、c（KNO3）＝0mol／L、ρ（EPS）＝200mg／L、反應(yīng)時間為120min的試驗條件下進(jìn)行吸附試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，得到吸附等溫線，結(jié)果示于圖6。由圖6可知：EPS對鈾酰離子的吸附既符合Freundlich吸附模型，也符合Langmuir吸附模型，但從相關(guān)系數(shù)評價的標(biāo)準(zhǔn)角度來看，F(xiàn)reundlich吸附模型更適合用來描述EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附過程。

圖6 Langmuir（a）和Freundlich（b）吸附等溫曲線Fig.6 Langmuir（a）and Freundlich（b）isothermal adsorption curves

Freundlich吸附模型可以用來描述以下兩類表面吸附行為：一類是表面不均一的表面吸附行為；另一類是粒子在表面位點吸附后，存在相互作用的表面吸附行為。Langmuir吸附模型導(dǎo)出的條件有兩個［12］：一個是表面的吸附位點均勻分布，不存在差異；另一個是單層吸附。說明了EPS對鈾酰離子的吸附都不是簡單的單分子層吸附。通過擬合得到EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附指數(shù)n＝0.185，介于0.1和1.0之間［13］，反映了EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附反應(yīng)比較容易進(jìn)行，吸附性能也比較好。

2.8 吸附動力學(xué)研究

在研究吸附反應(yīng)中固相和液相兩相的吸附動力學(xué)時，比較常用的有兩個模型［14］：一個是假一級反應(yīng)動力學(xué)模型，另一個是假二級反應(yīng)動力學(xué)模型。兩個模型的表達(dá)式分別為：（qe－qt）＝ln qe－其中：t，吸附反應(yīng)的時間；qt，t時刻EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附量，mg／g；qe，假一級反應(yīng)動力學(xué)方程中吸附反應(yīng)達(dá)到平衡時的吸附量，mg／g；qmax，2，假二級反應(yīng)動力學(xué)方程中吸附反應(yīng)的最大吸附量，mg／g；k1，假一級反應(yīng)動力學(xué)模型速率常數(shù)；k2，假二級反應(yīng)動力學(xué)模型速率常數(shù)。

對2.3節(jié)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出反應(yīng)動力學(xué)模型方程擬合曲線，結(jié)果示于圖7。由圖7可知，假一級反應(yīng)動力學(xué)方程線性擬合較差，從相關(guān)系數(shù)評價的標(biāo)準(zhǔn)角度來看，假二級反應(yīng)動力學(xué)模型更適合描述EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附。假二級反應(yīng)動力學(xué)模型作出了以下假設(shè)［15］：①吸附反應(yīng)的作用方式是一種化學(xué)作用方式；②在整個的吸附過程中，在開始時吸附速率最快，大于其他任何時刻的瞬時吸附速率；③吸附位點對于吸附每個鈾酰離子的吸附能都一樣，不存在差異。

假二級反應(yīng)動力學(xué)模型對EPS吸附鈾酰離子的數(shù)據(jù)擬合，得出EPS對溶液體系中鈾酰離子吸附最大吸附量（qmax）為46.253mg／g。

2.9 EPS吸附鈾酰離子前后的紅外光譜分析

圖7 假一級（a）和假二級（b）動力學(xué)方程擬合曲線Fig.7 First order reaction（a）and second order reaction（b）fitting curves of different kinetic equations

圖8 EPS吸附鈾酰離子前（a）后（b）的紅外光譜圖對比Fig.8 Comparison of FTIR spectra of EPS before（a）and after（b）adsorbed uranyl ion

EPS吸附鈾酰離子前后的紅外光譜圖對比示于圖8。由圖8可知，EPS吸附鈾酰離子前后紅外譜圖發(fā)生了一些變化，一些官能團(tuán)的譜峰發(fā)生了漂移或強(qiáng)弱變化。吸附前譜圖中1 200～1 600cm－1處有一個特征峰，表示EPS中存在羧基；800～1 200cm－1有幾個強(qiáng)度不大的吸收峰，表示EPS中存在少量的多聚糖和苯環(huán)；800cm－1以下的特征峰表示EPS中存在磷酸基或硫酸基團(tuán)；吸附反應(yīng)后，這幾個峰都不同程度的向右遷移。這說明在EPS吸附鈾酰離子的過程中，羧基、多聚糖和苯環(huán)中的基團(tuán)以及磷酸基或硫酸基團(tuán)都參與了吸附反應(yīng)；在3 200～3 600cm－1處的一個寬峰也發(fā)生了較大變化，但是很難確定是其中的哪種基團(tuán)參與了吸附反應(yīng)。EPS吸附前后的明顯變化說明化學(xué)吸附存在于吸附過程中，且吸附過程復(fù)雜，有多種物質(zhì)的基團(tuán)參與反應(yīng)，吸附方式多樣。

3 結(jié) 論

（1）EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附率隨著溫度、EPS投加量和pH的升高而增大，但隨溫度升高而變化的幅度較小。吸附量隨著EPS投加量的增加而減小。反應(yīng)進(jìn)行到120min之后，EPS對鈾酰離子的吸附率增長緩慢。EPS吸附鈾酰離子的最優(yōu)試驗條件如下：25℃、pH＝3.0、反應(yīng)時間為120min、EPS投加量為300mg／L，相對應(yīng)鈾酰離子的吸附率為68.328%，并隨溶液體系中KNO3濃度的增加，呈現(xiàn)下降的趨勢。

（2）吸附熱力學(xué)研究表明，F(xiàn)reundlich吸附模型比Langmuir吸附模型更適合用來描述EPS對溶液體系中鈾酰離子的吸附過程。吸附動力學(xué)研究表明，假二級反應(yīng)動力學(xué)模型要更加適用于EPS對鈾酰離子的吸附，吸附反應(yīng)是化學(xué)吸附。

（3）對比EPS吸附鈾酰離子前后的譜圖發(fā)現(xiàn)，EPS結(jié)構(gòu)中的有些部位發(fā)生了改變，一些特征吸收峰在位置或強(qiáng)度上發(fā)生了變化，這一現(xiàn)象說明化學(xué)吸附方式存在于EPS吸附溶液體系中鈾酰離子的吸附過程中，且吸附過程復(fù)雜。

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Adsorption of Uranyl on Extracellular Polymeric Substances From Activated Sludge

CHEN Shuai1，LIU Zhi－rong1，WU Zhen－yu2
1.School of Chemistry Biology and Materials Science，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China；2.School of Nuclear Engineering Technology，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China

The activated sludge got from sewage treatment plant was cultivated by sodium acetate.Extracellular polymeric substances（EPS）were extracted through NaOH extraction method.The adsorption behavior of EPS on uranyl was studied by static method.The influences of temperature，pH，adsorption time，the dosage of the EPS and ionic strength on the effect of adsorption of uranyl were discussed.Thermodynamic and kinetic of adsorption were discussed，too.The infrared spectra of EPS before and after adsorbing uranyl were compared.The experimental results indicate that the best adsorption temperature is 25℃，the best adsorption time is 120min，and the best dosage of EPS is 300mg／L.The ionic concentration has a strongly impact on adsorption.The study of adsorption thermodynamics indicates that the adsorption process conforms to the Freundlich adsorption model.The study of adsorption kinetics indicates that the adsorption process conforms to second order reaction kinetics model.

activated sludge；extracellular polymeric substances；uranyl ion；adsorption

TL941.19

A

0253－9950（2014）01－0047－06

10.7538／hhx.2014.36.01.0047

2013－09－23；

2013－11－13

國家自然科學(xué)基金資助項目（11375043）；江西省自然科學(xué)基金資助項目（20114BAB203020）

陳 帥（1990—），男，江西吉安人，碩士研究生，分析化學(xué)專業(yè)，E－mail：451640544＠qq.com