剩余污泥吸附法处理废水中汞和砷
慧聪水工业网 剩余污泥是污水处理厂在处理废水过程中产生的主要副产物，其产生量大，成分复杂，若将剩余污泥随意处置，其中所含的有毒物质会对生态环境造成很大的危害，因此，必须对剩余污泥进行处理。对剩余污泥处理处置的目的主要是减量化、稳定化、无害化和资源化，通常需要根据污泥的性质选择一定的处理处置方法，这需要消耗大量的资金。近年来，在国内外已有利用剩余污泥吸附处理低浓度重金属废水的研究〔1,2,3〕，以废治废，是剩余污泥处置的又一有效途径。
笔者利用本市某污水处理厂的剩余污泥对含汞、砷废水进行吸附处理，对剩余污泥吸附废水中汞和砷的特性进行了研究，探讨了pH、吸附时间、剩余污泥投加量对吸附效果的影响，得出剩余污泥吸附处理含汞、砷废水的最佳条件，并在此条件下考察了其对实际环境水样的吸附效果。该项研究可为后续开发剩余污泥的综合利用方法，及利用剩余污泥吸附处理低浓度重金属工业废水提供技术依据。
1 实验材料
1.1 污泥特性及预处理
取某污水处理厂带式压滤车间的新鲜脱水污泥作为实验用污泥，其含水率为48%,pH为7.02,不含汞和砷。实验前需对污泥进行预处理，具体方法：首先将剩余污泥用去离子水浸泡30min,充分搅拌后，过40目(0.425mm)筛，以除去污泥中的大颗粒杂质及悬浮物，然后于5000r/min下离心7min,弃去上清液，如此反复清洗3次。将预处理后污泥收集于聚乙烯容器内，密封，于4℃条件下保存。为保证剩余污泥的理化性质稳定，剩余污泥保存2周。
1.2 实验用模拟水样
参照本市工业废水中汞、砷含量水平配制模拟水样，其中汞、砷质量浓度均为10μg/L.
2 实验方法
称取一定量的剩余污泥于500mL聚乙烯瓶内，加入模拟水样300mL,用稀HCl及稀NaOH溶液调节废水pH,然后置于振荡器上于室温下振荡一定时间。静置30min,取上清液过0.45μm滤膜，测定滤液中的汞、砷含量。汞、砷含量的测定依据《水和废水监测分析方法》(第4版)。
3 实验结果与讨论
3.1 pH对吸附效果的影响
在剩余污泥投加量为100g/L,吸附时间为12h的条件下，考察了pH对剩余污泥吸附汞和砷的影响，结果见图1。
图1 pH对剩余污泥吸附汞和砷的影响
由图1可知，随着pH的增大，剩余污泥对汞、砷的吸附率呈先增大后降低的趋势。pH在较低水平时，水中的水合氢离子会占据吸附剂表面的结合点位，并且由于同性相斥原理阻碍汞、砷接近细胞壁，从而影响吸附。当pH为5~7时，剩余污泥对汞的吸附率有了显着提升，达到88%左右，对砷的吸附率也增至94%左右。这是因为随着pH的上升，H+浓度下降，剩余污泥表面结合位点增多，其表面负电荷密度增大，剩余污泥对汞、砷的吸附率增大。当pH=8时，吸附率有所下降，这是因为当pH超过汞、砷沉淀上限时，汞、砷形成了氢氧化物沉淀，使得吸附过程无法进行。
实验结果表明，剩余污泥对砷的吸附效果略优于汞，但是剩余污泥吸附汞的适宜pH范围要比吸附砷宽。当pH=7时，剩余污泥对汞、砷的吸附率均达到最大，此时剩余污泥对砷的吸附率为94.5%,对汞的吸附率为88.4%。
3.2 吸附时间对吸附效果的影响
在pH=7,剩余污泥投加量为100g/L的条件下，考察了吸附时间对剩余污泥吸附汞和砷的影响，结果见图2。
图2 吸附时间对剩余污泥吸附汞和砷的影响
剩余污泥对汞、砷的吸附分为2个阶段：首先是汞、砷在细胞表面发生被动吸附，这种吸附不需要微生物的代谢就能进行且用时较短;其次是细胞表面被吸附的汞、砷由于微生物的代谢作用而被转移入细胞体内，这种吸附为主动吸附，用时较长。
由图2可以看出，剩余污泥对汞、砷的吸附率随着吸附时间的延长而增大。在前2h,剩余污泥吸附速度增加较快，进行1h后砷吸附率就达到了84.8%;而剩余污泥吸附汞的速度相对较慢，吸附进行1h后，吸附率才达到47.8%.尽管剩余污泥在相同的时间里对汞、砷的吸附率不同，但二者均在2~5h的时间段内保持过一段平衡，这可能是由于这段时间主要进行被动吸附，而主动吸附在此之后才开始，所以吸附率增加较为缓慢。
吸附时间达到5h后，剩余污泥对汞、砷的吸附率随吸附时间的延长又有了显着的提升，当吸附进行12h后，吸附率基本不再变化，这表明吸附已经达到平衡。从实验结果来看，吸附时间的变化对汞、砷吸附率的影响大致相同。吸附进行12h后，剩余污泥对汞、砷的吸附率均达到最大，此时剩余污泥对砷的吸附率为95.4%,对汞的吸附率为82.2%,剩余污泥对砷的吸附效果要稍优于对汞的吸附。
3.3 剩余污泥投加量对吸附效果的影响
在pH=7,吸附时间为12h的条件下，考察了剩余污泥投加量对剩余污泥吸附汞和砷的影响，结果如图3、图4所示。
图3 污泥投加量对剩余污泥吸附汞的影响
图4 污泥投加量对剩余污泥吸附砷的影响
从图3可以看出，当剩余污泥投加量为0~100g/L时，随着剩余污泥投加量的增大，剩余污泥对汞的吸附率也增大〔4〕。这是因为剩余污泥用量增大，吸附位点增多，比表面积增加，从而使吸附率升高。当剩余污泥投加量升至100g/L以后，随剩余污泥投加量的增加，剩余污泥对汞的吸附率不再有明显的变化。另有研究表明，当剩余污泥浓度过大时，高浓度的剩余污泥会在其外围形成屏蔽效应，阻止金属离子与吸附位点的结合〔5〕。图4显示出与图3相似的性质，但明显地，剩余污泥在低浓度时对汞的吸附率的增加幅度较其对砷的吸附率的增加幅度大。
由图3和图4还可以看出，当剩余污泥浓度在较低水平时，剩余污泥对汞、砷的吸附容量均较高，但随着污泥浓度的提高，剩余污泥对汞、砷的吸附容量随之下降。这是由于剩余污泥浓度增大，吸附位点增多，而溶液中汞、砷不足，导致单位吸附容量降低。
实验结果表明，剩余污泥吸附汞、砷的适宜投加量并不相同，剩余污泥吸附砷的最佳投加量为100g/L,而剩余污泥吸附汞的最佳投加量为150g/L.这说明在工程应用中，吸附砷所需的剩余污泥量小于吸附汞所需的剩余污泥量。为使剩余污泥对汞、砷的吸附均能达到最佳效果，后续实验选择剩余污泥投加量为150g/L。
3.4 等温吸附模型
利用Langmuir方程对实验所得数据进行拟合，结果见表1。
由表1可知，剩余污泥对汞、砷的最大吸附容量分别为0.12、0.15μg/g,这验证了剩余污泥吸附砷比吸附汞要更容易。b可以表示被吸附离子与吸附剂结合的稳定程度，b值越大，说明吸附的稳定程度越高〔6〕。从表1可以看出，汞与剩余污泥结合的稳定性要优于砷。另外，从二者的相关系数可以看出，剩余污泥对汞、砷的吸附能较好地符合Langmuir方程。
3.5 汞、砷初始浓度对吸附效果的影响
在汞、砷初始质量浓度为0~30μg/L,剩余污泥投加量为150g/L,吸附时间为12h的条件下，考察了汞、砷初始浓度对剩余污泥吸附汞和砷的影响，结果如图5、图6所示。
图5 汞初始浓度对剩余污泥吸附汞的影响
图6 砷初始浓度对剩余污泥吸附砷的影响
由图5和图6可知，随着汞、砷初始浓度的增大，剩余污泥对汞、砷的吸附率有所降低。这可能是由于尽管汞、砷初始浓度增大，但剩余污泥投加量保持不变，因此当汞、砷初始浓度较高时，剩余污泥缺乏足够的吸附位点，致使吸附率有所降低。
此外，随着汞、砷初始浓度的增大，剩余污泥对汞、砷的吸附容量也随之增大。这是由于当汞、砷初始浓度增大时，剩余污泥吸附体系中液相与固相间的浓度梯度有所增大，使吸附容量增大。
3.6 实际水样验证结果
从上述实验中得出了在模拟水样环境下，剩余污泥吸附汞、砷的最佳吸附条件：pH=7,吸附时间为12h.在此条件下，采用剩余污泥对本市3家涉汞、砷企业的实际水样进行了处理，结果如表2所示。
由表2可知，虽然3家企业的水样成分不同，但在最佳吸附条件下均达到较好的效果，说明剩余污泥作为吸附剂可以较好地吸附处理不同水体中的汞和砷。
4 结论
利用剩余污泥吸附废水中的汞和砷，探讨了吸附体系pH、剩余污泥投加量、吸附时间等因素对吸附效果的影响，结果表明，在模拟水样环境下，当pH=7,吸附时间为12h时，可以获得最佳吸附效果;吸附遵循Langmuir定律。研究同时发现，随着废水中汞和砷初始浓度的增大，剩余污泥对二者的吸附率均有所下降，而吸附容量均有所增加。利用此方法处理实际环境水样达到了很好的效果。
