活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料處理玫瑰紅廢水試驗(yàn)研究

朱敏聰，余晨輝，李丹丹，趙 睿，徐 俊，馮狀狀，黃明強(qiáng)

（閩南師范大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，福建 漳州 363100）

城市生活污水處理廠的活性污泥是污水凈化處理過程中產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，其數(shù)量巨大、增長迅速，已成為一種新的污染源，給城市環(huán)境帶來極大威脅，解決活性污泥處置問題迫在眉睫[1-2]?；钚晕勰嗪?0%～70%的粗蛋白質(zhì)、25%左右的碳水化合物，這些有機(jī)組分含有具有吸附性能的羧基、羥基、氨基、磷酰基和巰基等官能團(tuán)，常用來制造吸附劑以處理印染廢水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源化利用[3-4]。然而，活性污泥吸附劑制備工藝流程復(fù)雜，制備時間長、成本高，而且其吸附效果有限，不能將污染物破壞或還原以消解毒素[5]。因此，需要開發(fā)多功能活性污泥復(fù)合材料來提高其處理能力。

納米鐵比普通零價鐵具有更大的比表面積、更強(qiáng)的吸附性和更高的反應(yīng)活性，是近些年來興起的化學(xué)還原技術(shù)[6]。將納米鐵顆粒負(fù)載在活性炭、淀粉、膨潤土等載體上制成復(fù)合材料，可有效防止納米鐵粒子在水中團(tuán)聚、失活，提高反應(yīng)活性，降低處理成本[7-8]。研究表明，在納米鐵復(fù)合材料制備過程中，添加少量的銅、鎳等金屬，形成二元金屬復(fù)合材料體系，既能提高納米鐵在空氣中的穩(wěn)定性，又能增加納米鐵表面的活性吸附點(diǎn)，提高復(fù)合材料應(yīng)用于印染廢水處理的吸附和還原性能[9]?；钚晕勰嘈躞w顆粒粒徑分布范圍寬，表面積大，呈現(xiàn)網(wǎng)狀機(jī)構(gòu)，是良好的載體，但是以城市污泥為載體負(fù)載納米鐵銅雙金屬的研究鮮見報道。因此，本文以漳州污水處理廠的活性污泥為載體，采用硼氫化鈉液相還原法制備活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于玫瑰紅模擬印染廢水的處理中，為活性污泥用作吸附劑進(jìn)行資源化應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料的制備

活性污泥取自福建省漳州市生活污水處理廠。將活性污泥在105℃的烘箱內(nèi)干燥24 h，再將其破碎、研磨，過60目篩。過篩后的活性污泥按每克加2 mL 0.1 mol/L的硝酸溶液浸泡24 h，抽濾并用蒸餾水迅速洗滌至中性，置于105℃的烘箱內(nèi)干燥10 h后，保存?zhèn)溆谩?/p>

稱取10 g的氯化鐵和1 g氯化銅超聲溶解于250 mL的90%的乙醇溶液，加入20 g過60目篩的活性污泥，磁力攪拌6 h后抽濾，用90%的乙醇溶液洗至濾液不含F(xiàn)e3+和Cu2+，在105℃的烘箱內(nèi)干燥24 h，冷卻至室溫后將其轉(zhuǎn)移至燒杯中，加入100 mL去離子水，再以1～2滴/s的速率滴加100 mL 20g/L的NaBH4溶液，充分?jǐn)嚢?，待NaBH4溶液全部滴完后，再攪拌2 h使其反應(yīng)完全?？焖俪闉V后，置于105℃干燥箱中干燥24 h，得到活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料。

1.2 復(fù)合材料處理玫瑰紅試驗(yàn)研究

取一定量的活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料和玫瑰紅模擬廢水于燒杯中，放置于磁力攪拌器上以120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌。攪拌一定時間后取樣離心分離，取上清液用波長設(shè)定為554 nm的分光光度計(jì)測定溶液中玫瑰紅吸光度。根據(jù)處理前后溶液吸光度的變化，計(jì)算復(fù)合材料對玫瑰紅的去除率：

式中，D為去除率；A0為未攪拌時玫瑰紅的吸光度；An為攪拌n分鐘時玫瑰紅溶液的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌時間對玫瑰紅去除效果的影響

為研究攪拌時間對玫瑰紅處理效果的影響，取1.0 g的活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料和250 mL 20 mg/L的玫瑰紅模擬廢水于燒杯中，置于磁力攪拌器上以120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌，每隔15 min取樣離心分離，取上清液測定溶液中玫瑰紅的吸光濃度，獲得玫瑰紅去除率隨攪拌時間的變化情況，如圖1所示。在前60 min，玫瑰紅的去除率隨著磁力攪拌時間的增加而迅速增大，在磁力攪拌60 min時，玫瑰紅的去除率已達(dá)到95%。此后，隨著攪拌時間的延長，降解率不再呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，而是趨于平衡。這表明活性污泥載體能夠吸附玫瑰紅，而負(fù)載的納米鐵具有較強(qiáng)的還原能力，快速還原玫瑰紅?；钚晕勰嗉{米鐵銅復(fù)合材料對玫瑰紅有快速的去除效果。

圖1 攪拌時間對玫瑰紅去除效率的影響

2.2 pH值對玫瑰紅去除效果的影響

不同紡織產(chǎn)品和染色工藝形成的印染廢水的pH值是不同的，而且在不同的pH值條件下，印染分子的結(jié)構(gòu)會有所改變。為了考察不同pH值條件下活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料對玫瑰紅的處理效果，依次將250 mL 20 mg/L的玫瑰紅溶液的pH值調(diào)為1.0、3.0、5.0、7.0，9.0、11.0和13.0，再加入1.0 g的活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料，置于磁力攪拌器上以120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌60 min后，取樣離心分離，取上清液測定溶液中玫瑰紅的吸光濃度，計(jì)算去除率。

從圖2可以看出，隨著pH的增加，玫瑰紅的去除率先增后降。強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性的條件抑制玫瑰紅的去除，而中性和弱堿性的條件則有利于玫瑰紅的處理。在pH值為9時，玫瑰紅的去除率達(dá)到了最大值。因此，活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料不宜在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境下使用，宜在pH=5～9的條件下處理玫瑰紅印染廢水。

圖2 不同pH值對玫瑰紅去除效率的影響

2.3 復(fù)合材料用量對玫瑰紅處理效果的影響

活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料的用量是玫瑰紅印染廢水處理主要的參數(shù)之一。為考察復(fù)合材料用量對玫瑰紅處理效果的影響，依次取0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g和1.2 g的活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料于燒杯中，加入250 mL 20 mg/L玫瑰紅模擬廢水，置于磁力攪拌器上以120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌60 min后，取樣離心分離，取上清液測定溶液中玫瑰紅的吸光濃度，計(jì)算玫瑰紅去除率。由圖3可知，在相同的磁力攪拌時間、溫度等條件下，隨著活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料用量的增加，玫瑰紅去除效率逐漸增大。但當(dāng)活性污泥納米鐵銅用量超過1.0 g后，增加復(fù)合材料的用量，玫瑰紅去除效果基本保持不變，綜合考慮去除玫瑰紅效率和工程的實(shí)際應(yīng)用，宜用10 g/L的用量處理玫瑰紅印染廢水。

圖3 復(fù)合材料用量對玫瑰紅去除率的影響

2.4 活性污泥納米鐵銅活化再生性能研究

活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料的活化再生性能決定了玫瑰紅印染廢水處理成本的高低。為了測試復(fù)合材料的活化再生性能，用去離子水清洗處理過玫瑰紅的1.0 g活性污泥納米鐵銅，除去吸附在材料表面的雜質(zhì)，用NaBH4處理這些復(fù)合材料，再用這些活化的活性污泥納米鐵銅繼續(xù)處理250 mL 20 mg/L的玫瑰紅溶液，由去除效率評價活化再生效果。如圖4所示，新活化的活性污泥納米鐵銅都能有效降解玫瑰紅廢水。盡管隨再生次數(shù)的增加，降解效率有所下降，但這種變化很緩慢，即使是第14次活化后，其對玫瑰紅的去除率仍達(dá)到85%，具有較好的活化再生性能。

3 結(jié)論

本文以漳州污水處理廠的活性污泥為原料，采用硼氫化鈉液相還原法制備活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料。當(dāng)活性污泥、氯化亞鐵和氯化銅的質(zhì)量比為20:10:1時，制得的活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料還原能力強(qiáng)，在中性和弱堿性的條件下，對玫瑰紅印染廢水具有較好的快速去除效果。復(fù)合材料活性再生性能好，經(jīng)過十余次活化后仍對玫瑰紅廢水具有較好的去除效率?；钚晕勰嗉{米鐵銅可嘗試應(yīng)用于玫瑰紅等印染廢水處理，同時這也為活性污泥作為吸附劑進(jìn)行資源化利用提供了新思路。

圖4 活性污泥納米鐵銅復(fù)合材料的活化效果