何佳錫

(四川師范大學化學與材料科學學院環(huán)境工程系，成都　610066)

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關于城市污水廠污泥制備生物炭吸附鎘探討

何佳錫

(四川師范大學化學與材料科學學院環(huán)境工程系，成都610066)

【摘要】使用城市污水廠剩余污泥制備生物炭并用于吸附重金屬離子Cd(2+)，有利于城市污水廠污泥的處置，為污水中重金屬的處理與處置和“碳減排”提供新的思路與方法。 研究結果表明不同污水廠的污泥的最佳活化溫度不同；吸附模型擬和結果表明Freundlich模型在大部分溫度下均具有比Langmuir模型有更好的相關性。

【關鍵詞】活性污泥；生物炭；鎘；吸附

城市污水廠污泥是污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物，它容量大、易腐敗、不穩(wěn)定、有惡臭，處置成本高，在國外污泥處置成本占污水廠運營成本的30%～50%左右，如不加以安全處理和處置，將造成嚴重的二次污染問題。 同時污泥中含有大量的有機物、腐殖質等含C有機物，一直是城市污水廠發(fā)展的瓶頸。 本研究主要是將污泥通過加熱制備生物炭，開展生物炭對重金屬鎘吸附的前期研究，獲得生物炭吸附鎘吸附參數(shù)，為后期生物炭在重金屬污染土壤改良中的應用獲得基礎數(shù)據(jù)。這對剩余污泥的處置，碳減排、減緩溫室效應，以及重金屬污染改良具有重要的意義。

1材料與方法

1.1實驗材料特性

實驗用生物炭是由污水處理廠的剩余污泥在低溫(≤600℃)下熱解而成。實驗材料所用的剩余污泥是取自昆明市第一污水處理廠、第三污水處理廠和第五污水處理廠。 這三個污水處理廠所采用的污水處理工藝分別是氧化溝工藝、SBR工藝和A2/O工藝。實驗材料污泥特性如表1所示。

表1　實驗材料污水處理廠污泥特性

由表1可知，上述三個污水廠污泥的pH、氮、磷、鉀及有機質含量均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 土地改良用污質》(CJ/T291-2008)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質》(CJ248-2007)及《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農用泥質》(CJ/T309-2009)的要求。

1.2實驗材料組分要求

根據(jù)活性炭的用途對制備活性炭的原料有不同的要求，如用于醫(yī)學或凈化水用活性炭，不僅要求原料中灰分越少越好，且對活性炭中的有害雜質也有著嚴格的要求；但應用于污水治理的活性炭，對制備活性炭原料的灰分、雜質等無特殊要求。

三個污水廠中污泥中的有機物含量為50%～60%，隨著生活水平的不斷提高，污泥中的有機物的含量還會不斷增加。國內外研究表明，含碳吸附劑對COD及重金屬離子有很高的去除率，污水廠中污泥含有大量的有機物，使其具有被加工成生物炭的客觀條件。污泥中有機物含量高，制備的生物炭品質較高，對重金屬的吸附能力相應也高。

1.3實驗材料制備

將取自污水處理廠的污泥自然風干后，磨細。 將磨細的剩余污泥放在馬弗爐中用氮氣保護熱解，熱解時間是4h。 熱解后的產(chǎn)物先用60～70℃的熱水浸泡，然后用1∶4的鹽酸進行浸泡，直到浸出液為無色，然后再用60～70℃的熱水洗滌至pH值>6，最后，經(jīng)過熱水洗滌后的樣品105℃下在干燥箱中干燥24h，得到生物炭樣品。

鎘溶液采用硝酸鎘(Cd(NO3)2·4H2O)溶于去離子水配制，吸附實驗采用雙層數(shù)顯往返氣浴恒溫振蕩器(CHA-BS)，在恒溫條件下進行，吸附完成后采用臺式離心機分離，鎘分析采用原子吸收法(WFX-130A)。

1.4實驗方法

分別取0.02g在不同活化溫度下制備成的生物炭加入干燥的5ml的樣品瓶中，然后向樣品瓶中加入濃度為50mg/L，pH值為4的硝酸鎘溶液4mL。 將樣品瓶蓋上蓋后放入雙層數(shù)顯往返氣浴恒溫振蕩器中，在溫度為20℃的恒溫下振蕩12h。 12h后將樣品瓶取出，再將樣品瓶放入臺式離心機中在1500r/min的轉速下離心30min。

將經(jīng)過離心的樣品取出，用膠頭滴管取出上清液，加入10mL的樣品瓶中，然后稱出加入的樣品溶液的質量，然后加入9倍質量的1%的硝酸溶液，稀釋成10倍。 將稀釋好的樣品溶液用原子吸收分光光度計測定其中鎘離子的濃度。

吸附量的計算公式[1]如下：

(1)

其中，Q為吸附量，mg/g；C0為溶液的起始濃度，mg/L；Ce為t時刻時液相中鎘的濃度，mg/L；V為硝酸鎘溶液的體積，mL；W為生物炭的質量，g。

2結果與分析

2.1活化溫度對生物炭吸附性能影響

生物炭對重金屬的吸附效果同生物炭的燒制溫度和前體材料有關[12]。不同污水處理廠污泥在不同活化溫度(℃)下制備的樣品對Cd2+的吸附量如圖1所示。

圖1　活化溫度與吸附量的關系圖

第一污水處理廠的剩余污泥在活化溫度為300℃時，所制備而成的生物炭對重金屬鎘的吸附效果最好；第一和第三污水處理廠的剩余污泥在活化溫度為400℃時，其所制備而成的生物炭對重金屬鎘的吸附效果都是最好的。 在高溫時，昆明市第一污水廠污泥和第三污水廠制備的生物炭吸附性能要好于第五污水處理廠污泥。 在低溫時，隨著熱解溫度的增加，炭表面的極性基團含量明顯增加，但是在某一個溫度時達到極限。 當溫度超過這個極限以后，隨著熱解溫度的增加，生物炭表面的極性基團的含量慢慢減少。 所以在低溫時，生物炭表面的極性基團多，因此吸附量大，而當溫度超過極限溫度時，生物炭表面的極性基團會隨著溫度的升高而減少，所以出現(xiàn)了在高溫熱解成的生物炭，其吸附能力不如在低溫熱解成的生物炭的吸附能力[2]。

影響水處理用生物炭主要是孔隙結構和表面的化學基團[3]，生物炭的吸附能力與其孔隙大小，結構有關，即顆粒越小，孔隙擴散速度越快，生物炭的吸附能力就越強。

實驗表明：生物炭的活化程度對吸附量有影響；活化溫度的控制直接影響生物炭的粒徑和孔隙大小，直接影響生物炭的吸附性能；活化后的生物炭表面各可達360m2/g，主要由中孔和微孔組成。

2.2生物炭吸附性能

2.2.1吸附平衡曲線

由圖2可知，由第一和第五污水處理廠的剩余污泥制備成的生物炭對重金屬的吸附都在7h的時候達到了吸附平衡；而由第三污水處理廠得剩余污泥制備而成的生物炭對重金屬的吸附則是在5h的時候達到了吸附平衡。

圖2　重金屬鎘的吸附平衡曲線

2.2.2pH值對吸附量的影響

分別取第一、第三和第五污水處理廠在300℃、400℃和400℃活化溫度下制備成的生物炭加入濃度為50mg/L，在不同pH值下的鎘吸附量見圖3所示。

圖3　pH值對吸附量的影響

從圖3中可以看出，對于剩余污泥所制備而成的生物炭在pH值為2到4時，隨著pH值的升高，吸附量也增加，而在pH值為4到6時吸附量增加的不太明顯。 這個結論和李廣林等[4]得出的結論基本一致。

吳海鎖等[5]認為，在pH值很低的時候，在吸附質的表面主要是陽離子占據(jù)主導地位，所以對于吸附對象的吸附力減弱；隨著pH值的逐漸增加，吸附質表面的陰離子逐漸增多，所以吸附質對于吸附對象的吸附力逐漸增強。 每一種重金屬離子都有一個極限pH值，當溶液的pH值超過極限pH值時，它表現(xiàn)的狀態(tài)不再是離子狀，而是表現(xiàn)為沉淀狀態(tài)。 所以當pH值繼續(xù)增加的話，那么吸附量將隨著pH值的增加而減小。

2.2.3吸附等溫線

分別取第一、第三和第五污水廠污泥制備成的生物炭加入pH值為4濃度分別為30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L的硝酸鎘溶液，吸附時間12h。 實驗數(shù)據(jù)分別進行Langmuir和Freundlich等溫方程擬和，所得的擬和結果如表2所示。

表2　Langmuir和Freundlich等溫方程參數(shù)

從表2可知，對于實驗數(shù)據(jù)的擬合結果，F(xiàn)reundlich模型在大部分溫度下均具有比Langmuir模型有更好的相關性，表明制備的生物炭表面性質較為均一。 Langmuir模型的極限吸附容量均大于21.69mg/g，說明生物炭對Cd2+吸附能力較強。 對于飽和吸附容量Qm，第一污水廠和第三污水廠污泥制備的生物炭在低溫時較大，而第五污水處理廠飽和吸附容量隨著溫度變化不明顯。KF與親和力和吸附容量有關，可以表明吸附能力的大小，KF數(shù)值在2.0左右，表明生物炭對Cd2+有很強的吸附性。 采用Freundlich模型來對吸附等溫線進行擬和，擬和結果相對較好，也可能和吸附質濃度變化較窄有關，一般來說在比較窄的范圍內，吸附體系可能都比較符合Freundlich模型，即使是一些符合Langmuir模型的數(shù)據(jù)，除了低濃度和高濃度外，在中間濃度范圍內也近似符合Freundlich模型。

3結論

(1)污泥生物炭吸附鎘的容量與粒徑和孔隙大小、吸附質的pH值、濃度等因素有關。

(2)不同污水廠污泥制備生物炭的活化溫度不同，昆明第一污水處理廠的剩余污泥制備而成的生物炭最佳的活化溫度為300℃；第三和第五污水處理廠的剩余污泥最佳活化溫度為400℃。

(3)Freundlich模型在大部分溫度下均具有比Langmuir模型有更好的相關性。 由Freundlich常數(shù)表明，生物炭容易吸附Cd2+。 由Langmuir模型的極限吸附容量可任意看出生物炭對Cd2+具有較大的吸附容量。

(4)將污泥通過加熱制備生物炭，開展生物炭對重金屬鎘吸附的前期研究，獲得生物炭吸附鎘吸附參數(shù)；本研究僅以鎘的吸附能力作為表征參數(shù)，為后期生物炭在重金屬污染土壤改良中的應用獲得基礎數(shù)據(jù)，這對剩余污泥的處置，碳減排、減緩溫室效應，以及重金屬污染改良具有重要的意義。

參考文獻：

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[15]吳海鎖，張鴻，張愛茜，等.活性污泥對重金屬離子混合物的生物吸附[J].環(huán)境化學，2002，21(6)：528-532.

Cadmium Adsorption of Bio-char Prepared by the Sewage from the Urban Sewage Plant

HE Jiaxi

(Sichuan Normal University，Chengdu 610066)

Abstract：This research is to use urban sewage sludge to prepare bio-char and adsorb Cd2+. It is benefit to the disposal of sewage sludge treatment，and lead to a new way of heavy metals treatment in the wastewater and carbon reduction. Experiments show that different activation temperature of sewage plant sludge and the result of adsorption model fitting is that Freundlich model has a better relevance than Langmuir model.

Keywords：activated sludge；bio-char；cadmium；adsorption

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)02-0081-03

作者簡介：何佳錫，本科在讀學生，環(huán)境工程專業(yè)，主修環(huán)保工程，大學期間曾到工廠、企業(yè)實習，具備一定的環(huán)保工作經(jīng)驗和理論基礎

引用文獻格式：何佳錫.關于城市污水廠污泥制備生物炭吸附鎘探討[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：81-83.