（环境工程专业论文）活性污泥对cu2的吸附特性研究.pdfVIP

摘要 摘要 本文主要研究了c u 2 + 在活性污泥上的吸附，主要探讨了：( 1 ) 单独c u 2 + 在 活性污泥上的吸附性能( 2 ) p b 2 + 存在时对c u 2 + 在活性污泥上吸附特性的影响( 3 ) 十四烷基二甲基苄基氯化铵( c 1 4 b d m a ) 存在时对c u 2 + 在活性污泥上吸附特性 的影响( 4 ) 十二烷基苯磺酸钠( l a s ) 存在时对c u 2 + 在活性污泥上吸附特性的 影响( 5 ) c u 2 + 在活性污泥上的吸附机理。实验主要结果： ( 1 ) 活性污泥对c u 2 + 的吸附无论p b 2 + 、c 1 4 b d m a 、l a s 存在与否，3 0r a i n 均能达吸附平衡。对单独c u 2 + 体系的实验数据用伪一级动力学模型和伪二级动 力学模型进行拟合，结果表明吸附过程符合伪二级动力学模型。 ( 2 ) 不同温度时，c u 2 + 在活性污泥上的吸附均可以很好的用l a n g m u i r 和 f r e u n d l i c h 吸附等温线模型拟合，随着温度的升高，c u 2 + 在活性污泥上的吸附量 略微增大。1 0 、2 0 和3 0 时，利用l a n g m u i r 吸附等温线模型拟合的结果为：3 9 3 2 、 4 2 。1 6 和4 5 5 2m g g 。热力学计算结果表明，活性污泥对c u 2 + 的吸附是自发，吸 热，自由度增大的过程。 ( 3 ) 随着溶液中p b 2 + 起始浓度的增大，c u 2 + 在活性污泥上的吸附量下 ( t = 2 0 ) 。溶液中p b 2 + 浓度为5 和2 0m g l 时，c u 2 + 在活性污泥上的吸附量分 别为2 5 6 8 和1 9 7 8m g g ，相对单独c u 2 + 体系的4 2 9 7m g g ，分别下降了4 0 2 4 和5 3 9 7 。 ( 4 ) 随着溶液中c 1 4 b d m a 起始浓度增大，c u 2 + 在活性污泥上的吸附特性 降低，( t = 2 0 c ) ，溶液中c 1 4 b d m a 的起始浓度为2 0 和1 0 0m g l 时，c u 2 + 在活 性污泥上的吸附量分别为3 4 7 3 和1 6 7 5 m g g ，比单独c u 2 + 体系的4 2 1 6m g g ， 分别下降了1 7 6 2 和6 0 2 7 。 ( 5 )随着溶液中l a s 起始浓度增大，c u 2 + 在活性污泥上的吸附量增大 ( t _ 2 0 ) 。溶液中l a s 的起始浓度为5 和5 0m g l 时，c u 2 + 在活性污泥上的吸 附量分别为7 4 3 4 和9 1 0 9m g g ，比单独c u 2 + 体系的4 2 1 6m g g ，分别升高5 1 3 4 和8 5 4 4 。 ( 6 ) p h 在1 - 9 范围内，无论溶液中是否存在p b 2 + 、c 1 4 b d m a 、l a s ，当 p h 5 时，吸附量 摘要 随着p h 的增大而减小，最佳p h - - 5 。 ( 7 ) 无论溶液中是否存在p b 2 + 和c 1 4 b d m a ，活性污泥对c u 2 + 的吸附量都 随着n a c i 浓度的升高先降低后维持不变。单独c u 2 + 的体系，n a c i 浓度从0 增 大到0 2 5 m o l l ，c u 2 + 的吸附量由3 8 3 降到9 2m g g ，降低了7 9 9 8 。当l a s 时，n a c l 的浓度增大，c u 2 + 在活性污泥上的吸附量也增大，l a s 一定时，总体 趋势和p b 2 + 和c 1 4 b d m a 存在时基本相同。 ( 8 ) z e t a 电位和阳离子浓度的测定结果表明吸附c u 2 + 在活性污泥上的吸附 过程涉及静电作用、离子交换、离子配对等机理。f t i r 光谱分析结果表明活性 污泥对c u 2 + 吸附前后没有检测到变化 关键词：c u 2 + p b 2 + 十四烷基二甲基苄基氯化铵十二烷基苯磺酸钠活性污 泥 a b s t r a c t a b s t r a c t i i lt h i sp a p e r c u 2 + a d s o r p t i o no n t oa c t i v a t e ds l u d g ew a ss t u d i e d t h em a i n l y c o n t e n t sd i s c u s s e da sf o l l o w ：( 1 ) t h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc u 2 + o n t oa c t i v a t e d s l u d g e ( 2 ) t h em s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g ei nt h ep r e s e n c e o fp b 2 + ( 3 ) t h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g ei nt h e p r e s e n c eo ft e t r a d e c y ld i m e t h y la m m o n i u mc h l o r i d e ( c 1 4 b d m a ) ( 4 ) t h ea d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fc u 2 十o n t oa c t i v a t e ds l u d g ei nt h ep r e s e n c eo fs o d i u md o d e c y l b e n z e n es u l f o n a t e ( l a s ) ( 5 ) t h ea d s o r p t i o nm e c h a n i s mo fc u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g e t h em a i ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s ： ( 1 ) n om a t t e rp b ”，c 1 4 b d m a ，l a se x i s to rn o ti nt h es y s t e n n , t h ee q u i l i b r i u m w a sa c h i e v e dw i t h i n3 0r a i no fc o n t a c tt i m e t h ea d s o r p t i o no fc u 2 + o n t oa c t i v a t e d s l u d g ew a sa n a l y z e du s i n gp s e u d o f i r s t - o r d e ra n dp s e u d o - s e c o n d - o r d e rk i n e t i c s m o d e l s ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ea d s o r p t i o np r o c e s sf i t t e dp s e u d o s e c o n d - o r d e r k i n e t i c sm o d e lw e l l ( 2 ) u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，t h ea d s o r p t i o nd a t aw e r ef i t t e dw e l lb y l a n g r n u i ra n df r e u n d l i c hi s o t h e r mm o d e l s t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t i e so fc u z + o n t o a c t i v a t e ds l u d g es l i g h t l yi n c r e a s ew i mi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h et e m p e r a t u r e i s10 ，2 0a n d3 0 ，t h em a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yw e r e3 9 3 2 ，4 2 16a n d4 5 5 2 m g g r e s p e c t i v e l y a n dt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ss h o wt h a ta d s o r p t i o no f c u 2 十 o n t oa c t i v a t e ds l u d g ei sas p o n t a n e o u s ，e n d o t h e r m i c ，t h ep r o c e s so fi n c r e a s i n g d e g r e e so ff r e e d o m ( 3 ) t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g es l i g h t l yd e c r e a s e w i t hi n c r e a s i n gt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fp b 2 + ( t = 2 0 c ) w h e nt h ec o n c e n t r a t i o n o fp b 2 + w a s5a n d2 0m s l ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g e w e r e2 5 6 8a n d19 7 8m s g c o m p a r i s o nw i t hs i n g l ec u 十s y s t e m4 2 9 7m s g d e c r e a s e db v4 0 2 4 a n d5 3 9 7 i i i a b s t r a c t ( 4 ) t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t i e so f c u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g ed r a s t i c a l l yd e c r e a s e w i t hi n c r e a s i n gt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fc 1 4 b d m a b u ts l i g h t l yi n c r e a s ew i m i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc 1 4 b d m aw a s2 0a n d10 0 m l ( t = 2 0 * c ) ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g ew e r e3 4 7 3a n d 16 7 5m e c g ，c o m p a r i s o nw i t hs i n g l ec u + s y s t e m4 2 16m p g g , d e c r e a s e db y17 6 2 a n d6 0 2 7 ( 5 ) t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t i e so fc u 2 十o n t oa c t i v a t e ds l u d g es u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e w i t hi n c r e a s i n gt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fl a s ，a n ds l i g h t l yi n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fl a s w a s5a n d5 0m g l ( t = 2 0 。c ) ，t h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc u 2 + o n t oa c t i v a t e ds l u d g ew e r e7 4 3 4a n d9 1 0 9m p g g c o m p a r i s o n w i t hs i n g l ec u + s y s t e m4 2 16m g g ，i n c r e a s e db y51 3 4 a n d8 5 4 4 ( 6 ) i i lm e1 - 9p hr a n g e ，r e g a r d l e s so ft h ee x i s t e n c eo ft h es o l u t i o np b 2 + ， c 1 4 b d m a ，l a s ，w h e np h 5 ，t h ea d s o r p t i o nd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp h t h e o p t i m u m p hi s5 ( 7 ) w h e n i n c r e a s et h ei o n i cs t r e n g t h , a n di nt h ep r e s e n c eo fp b 2 + ，c 1 4 b d m a , t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t i e so fc u 2 + w e r ed e c r e a s e df i r s ta n dt h e nr e m a i nu n c h a n g e d i n t h es i n g l ec u 2 + s y s t e m ，w h e nn a c ic o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o m0t o0 2 5 m o l l ，t h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc u 2 + d e c r e a s e df r o m3 8 3t o9 2m e g , r e d u c e db y7 9 9 8 w h e nl a se x i s t e n c e ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc u z + i n c r e a s e d ，b u tw i t hi n c r e a s i n g t h ei o n i cs t r e n g t ht h et r e n di st h es a m ea st h ep r e s e n c eo f p b pa n dc 1 4 b d m a ( 8 ) z e t ap o t e n t i a la n dc a t i o na d s o r p t i o nt e s ts h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no f c u 十a d s o r p t i o no nt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si n v o l v e se l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n ，i o n e x c h a n g e ，i o np a i r i n ga n do t h e rm e c h a n i s m s t h ef o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t - 1 r ) s p e c t r o p h o t o m e t r ya n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h a ta c t i v a t e ds l u d g ea d s o r p t i o nc u 2 + d e t e c t e dn oc h a n g e k e y w o r d ：c d + p b 2 十t e t r a d e c y ld i r n c t h y la m m o n i u mc h l o r i d es o d i u md o d e c y l b e n z e n es u l f o n a t ea c t i v a t e ds l u d g e i v 第一章引言 第一章引言 第一节铜处理的相关研究进展 水是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源， 是构成生物体和生态环境的主要的要素之一。我国是一个水资源严重匮乏的国 家，我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，其中河川径流量为2 7 1 1 5m 3 ，平均年降水量 为6 4 8 m m ，低于全球的水平，位居世界第六位。但是我国的人均水资源量只有 2 2 0 0m 3 ，约为世界人均水资源的1 4 ，列世界第1 1 9 位，被列为世界上最缺水的 1 3 个国家之一。亩均水资源量也只有1 7 7 0m 3 ，相当于世界平均水平的2 3 左右， 这就是我国水资源的特点之一，水资源总量并不少，但人均和亩均占有量不足。 另外我国水资源还具有时空分布不均匀，利用分配不合理，水土流失严重，污 染严重形成水质性缺水的现状【1 1 。 随着工农业的迅速发展和城市现代化进程的加快，城市污水量日益增加。 大量未经处理的生活污水，工业废水( 如采矿、冶炼、电镀等) 和固体废弃物 的渗出液不断排入水体中，超过了水体的自净能力，使我国很多城市水体都存 在着比较突出的水污染问题，水体中的重金属含量急剧升高。有关研究表明： 江河湖库底质的污染率高达8 0 1 t 2 】：太湖底泥中的总铜、总铅、总镉含量均处 于轻度污染水平【3 】；黄浦江干流表层沉积物中，c d 超背景值2 倍、p b 超l 倍；苏 州河中，p b 全部超标、c d 为7 5 超标、h g , 为6 2 5 超标【4 】【5 1 。目前水体重金属污 染已经成为了全球性的环境污染问题，亟待解决。 1 1 1 铜的来源及处理方法 铜是废水中很常见的重金属离子之一，随着工农业的快速发展，水体中铜 第一章引言 的污染日趋严重。废水中的铜的主要来源有：含铜矿产的开采、冶炼厂、城市 生活垃圾、污泥、“三废”的排放、电镀、金属净化、印染、造纸、肥料、制 革、化工等工业，单同时铜也可能来自铜盐即含铜农药( 波尔多液) 、化肥和 铜催化剂的各种化学试剂生产过程中及其不合理的使用【6 】。据统计全世界铜的年 平均排放量达3 4 0 万吨【7 1 。 重金属废水常用的处理方法有很多种，包括如下几种：离子交换法、化学沉 淀法、氧化还原法、电化学处理法、气浮法、蒸发法、电解法、反渗透法、溶 剂萃取法、膜分离法、吸附法、生物絮凝法、植物修复法等，但是以上方法都 有费用高、去处理不彻底、易产生二次污染和高能耗的缺点，特别是当溶液中 重金属离子浓度较低在1 1 0 0m g l t g - l s 】，更难达到标准要求。生物吸附是新兴的 最有前景的处理方法之一。因其运行费用低、运行时间短、不产生二次污染物 和生物吸附剂的可重复利用性，目前很多研究关注于生物吸附法，把它作为一 个可以取代物理化学方法来去除废水中有毒重金属的方法。 1 1 2 铜的危害 1 1 2 1 铜对人体的危害 众所周知，铜是人体和微生物不能缺少的几种必需的微量金属元素之一。 正常人体内总含铜量约为1 0 0 1 5 0m g ，而对微生物来说c u 2 + 浓度在p p i i l 级别就已 经会产生毒性了，缺乏或过多都将产生不良影响。铜与脂肪酸、氨基酸以及维 生素都是人体新陈代谢过程必须的。因为人体本身不能生成铜，所以需要保证 铜的摄入量。虽然是重要的微量金属元素，但是铜摄入过量是有害的，因铜的 生物毒性比较高，是铅的8 矧m 】。过量的铜会对人体造血、细胞生长、人体某些 酶的活动以及内分泌腺功能均有影响，刺激消化系统，引起腹痛、呕吐，刺激 和腐蚀人体粘膜，并且导致中枢神经系统及肝、肾中毒【17 】【1 引。当人体中铜离子 的含量超过人体需要量的1 0 0 1 5 0 倍时，会引起坏死性肝炎和溶血性贫血。过量 的铜还会引起w i l s o n 氏症，主要表现就是胆汁排泄铜功能紊乱，造成铜在组织内 2 第一章引言 的贮留，铜首先在人体肝脏内大量累积，导致肝脏受损，出现慢性，活动性肝 炎，产生“肝痘”的铜代谢疾病【1 9 1 。当肝脏内铜含量增加，超过忍受限度时， 红细胞不能摄取全部铜，铜突然释放到血清中，发生溶血。这主要是因为c a 2 + 与血红蛋白，红细胞及其它细胞膜的s h 基有亲和力，结果会导致红细胞的通透 性增加而发生溶血。除此之外，铜还能抑制谷胱甘肽还原酶，导致细胞内还原 型谷胱甘肽减少，使血红蛋白变性，而发生溶血性贫血。如果铜沉积在脑部会 引起神经组织病变，这会导致小脑运动失常和帕金斯综合症；如果沉积在近侧 肾小管，会引起氨基酸尿、糖尿和蛋白尿【2 0 】。铜化合物可引发皮肤患皮炎和湿 疹，在接触高浓度的铜化合物时可发生皮肤坏死。如果眼接触铜盐可发生结膜 炎和眼睑水肿，严重者可发生眼浑浊和溃疡。 1 1 2 2 铜对动植物的危害 稍高浓度的铜会对鱼类和其他生物的腮、肝脏、肾脏以及神经系统造成伤 害【2 1 1 。当铜浓度大于0 1 0 2m g l 时可使鱼类致死，与锌共存时毒性可以增加， 对贝壳类水生物毒性更大，一般水产用水要求铜的浓度在0 0 1m g l 以下。对于 农作物铜可使植物吸收养分的机能受到阻碍，植物吸收铜离子后，即固定于根 部皮层。灌溉水中含铜较高时，即在土壤和农作物中积累，可使作物致死。 1 1 2 3 铜对污水处理的危害 很多研究表明铜对城市污水处理厂的微生物活性有明显抑制或毒害作用。 铜对水体自净作用有严重影响，浓度为0 1m g l 时，使水的生化耗氧过程明显受 到抑制。 c e c e l l 等研究了铜和其他重金属z n 、n i 和c o 对硝化反应的影响，结果表明 尽管c u 2 + 浓度比其他的重金属离子浓度小，但c u 2 + 却是所用到的重金属抑制作用 最强的金属，抑制作用强弱顺序如下：c u n i z n c o 2 2 。p r i n c i p i 等也发现 在城市污水处理厂的活性污泥r 扣c u 2 + 对污水处理有不利影响，数据显示硝化细菌 比异养生物对重金属更敏感，研究发现c u 2 + 不利影响主要表现在生物的反絮凝现 象和p 变形菌门组份的减少，生物质对金属富集能力的顺序是c u n i z n ， 3 第一章引言 c u 2 + 毒性均k 匕n i 2 + 和z 0 + 大【2 3 1 。p a m u l ( o 舀u 和k a 晒研究了c u 2 + 在活性污泥处理污 水过程中的影响，主要考察了0 - - 2 2m g l c u 2 + 对c o d 去除率的影响。结果显示增 大c u 2 + 投入量好氧反应器中水相c u 2 + 浓度增大，其中一部分可以吸附到微生物表 面，抑制微生物的活性。出水的毒性随着c u 2 + 离子浓度的增大呈线性增加，当合 成废水c u 2 + 的浓度大于1 0m e d l 时，c u 2 + 的毒害作用更加明显，此时可导致生 物量浓度和c o d 去除率的锐减。将c u 2 + 对c o d 去除率抑制作用的实验数据用动 力学模型拟合，拟合结果显示c j + 的抑制常数为2 8 5m g l t 2 4 1 。 x i n - h u aw a n g 等人研究了长期加入c i u 2 + 和n i 2 + 对s b r 反应器中好氧颗粒污泥 的化学特性的影响。结果显示c u 2 + 的加入会造成生物量浓度、生物活性、好氧颗 粒污泥的生物多样性的急剧减少，并且在一定程度上使处理效果恶化【2 5 1 。s o o a l l o n g 等僦t c u 2 + 和c d 2 + 对s b r 处理系统的性能的影响，结果表明加入c u 2 + 和 c a 2 + 对好氧处理过程中活性污泥上的微生物的极大影响，活性污泥比耗氧速率 ( s o u r ) 的急剧减小，在s b r 中加入重金属离子后的活性污泥上微生物活 性比无重金属离子存在的系统中的微生物活性低1 0 倍。当溶液中含有5 m g lc u 2 + 和15r n g l 的c d 2 + 时，在s b r 的c o d 去除率从9 0 下降至u 7 5 【2 6 1 。 r o s a l i n da n e u m e g e n 等研究三氯苯氧氯酚、苯酚及硫酸铜对活性污泥的毒性， 发现三种物质中铜的毒性位居中间，c u 2 + 的e c 5 0 为1 8 3 士0 3 7m g l 【2 7 1 。v i v e kp u t g i k a r 等研究y c u 2 + 矛1 z n 2 + 对硫酸盐还原菌( s r b ) 混的影响，结果显示两种金 属离子对s r b 均有毒性和抑制作用，c u 2 + 的毒性常数和抑制常数分别为1 0 6 和 17 9 士2 5m m 2 s l 。 综上，c u 2 + 对活性污泥中微生物的数量以及细菌产生抑制和毒害作用，对硝 化反硝化作用以及c o d 的去除均有较大影响，可以极大的影响污水处理厂对污 水的处理效果， 1 1 3c u 2 + 在活性污泥上吸附特性的研究 近年来，很多可供选择的吸附剂用于去除出污水中的c u 2 + ，这些吸附剂主要 4 第一章引言 包括：木质素、锯末、泥炭、污泥灰、高岭土、粉煤灰等。剩余活性污泥是在 污水处理过程中产生的，它容易获得并且具有可观的经济价值，这种材料被认 为是极有潜力的生物吸附剂的替代者。最近，越来越多的人关注利用活性污泥 处理含铜废水。 x i n h u aw a n g 等研究了解体的好氧颗粒污泥( d a g ) 对c u 2 + 的吸附特性并进 行了机理的探讨。研究表明c u 2 + 在d a g 的吸附量随p h ( 3 5 ) 增大而增大，伪二 级动力学模型可非常精确的描述吸附过程。离子交换和静电作用是c u 2 + 去除的主 要的机理，c u 2 + 吸附的过程中伴随着c a 寸从d a g q b 的大量释放，胞外聚合物 ( e p s ) 在吸附中起着重要作用，它的效率受颗粒的大小影响。d a g 上对c u 2 + 产生吸附的活性功能团顺序为：c o o h n h 2 麓o h p 0 4 2 9 】。 a h a m m a i n i 等 人研究了多种重金属离子c u 2 + ，c a 2 + ，z n 2 + ，n i 2 + 和p b 2 + 在活性污泥上的吸附 特性，结果表明对c u 2 + 而言最佳p h 为5 ，金属离子的吸附与水相中的h + 有竞争作 用。各种离子在活性污泥上最大吸附量顺序为p b 2 + c u 2 + c d 2 + z n 2 + n i 2 + ， 其中c u 2 + 的最大吸附量为0 3n l i i l o 坩3 0 1 。 w a n gx u e j i a n g 等研究了以干污泥吸附水溶液d p c u 2 + 和p b 2 + ，结果表明两种金 属离子符合伪二级动力学模型，并且能够很好的用l a n g m u i r 和f m u n d l i c h 吸附等 温模型拟合。c u 2 + 在干污泥上的吸附量可达8 7 7m g g ，以物理吸附为主，并且 c o n h 2 是吸附的主要官能团，o h 和c o - c 官能团对吸附也起到一定作用【3 1 】。 土耳其学者o s m a ng u l n a z 等也研究了干活性污泥对c u 2 + 吸附，结果显示吸附的最 佳条件是p h = 4 和t = 2 0 。c 。在该条件下，当粒径小于0 0 6 3m i l l 时，c u 2 + 在干活性 污泥上的最大理论吸附量为2 9 4m e d g 。并且吸附量随着c u 2 + 起始浓度的增加而增 大，随着粒径的减小而增大，根据f t - i r 结果得知干污泥有很多不同的官能团【3 2 1 。 有人研究了超声后活性污泥对重金属c u 2 + 的吸附，超声可导致活性污泥解体 改变其原来的物理化学性质，如c o d 、蛋白质和粒径分布。j u l i e nl a u r e n t 等研 究了重金属在超声后的活性污泥上的吸附，结果表明虽然经过超声后的活性污 泥增大了表面积和可利用的负电荷和亲水性位点，但是c u 2 + 在其上的吸附量没有 5 第一章引言 增加【3 3 】。n c o m m e n g e s b e m o l e 和j m a r g u e r i e 也研究了超声后活性污泥对重金属 的吸附，但结果却与j u l i e nl a u r e n t 结果差别很大，经过1 5r a i n 的超声预处理和3 d 的放射，c u 2 + 在其上的吸附量增) ) 1 4 5 t 3 4 1 。 m y u n u sp a m u k o g l u 等研究了粉状活性污泥吸附去除水相中的c u 2 + ，结果表 明污泥粒径大小、泥量、c u 2 + 的起始浓度、p h 均能影响c u 2 + 在活性污泥上的吸附 量。当粒径大小为6 4 t t m ，粉状活性污泥浓度为0 2 5m g l 时，c u 2 + 在活性污泥上 的吸附量为1 5 6m d ”】。 y e s i ms a g 等研究了在序批式活性污泥和连续搅拌反应器中活性污泥对p b 2 + 和c u 2 + 的吸附。结果表明休眠状态的细胞最适于p b 2 + 和c u 2 + 在两个系统中的竞争 吸附，其中一种金属离子的存在影响另一种金属离子的吸附量，p b 2 + 和c u 2 + 的在 连续搅拌反应器中的吸附量比在序批式反应器中小【3 6 1 。 1 1 4 混合体系中c u 2 + 的吸附特性 w e i z h iz h o u 等利用从嗜温菌提取的胞外多糖对不同浓度比例的c u 2 + 和c d 2 + 混合体系进行研究，结果表明嗜温菌的胞外多糖对c u 2 + 的选择吸附性能比c d 2 + 的高【3 7 1 。y o n g j i ex u e 等研究c u 2 + 、c d 2 + 、p b 2 + 和z n 2 + 在炉渣上的竞争吸附，结果 表明在多组分体系中吸附能力强弱的顺序为：p b 2 + c u 2 + z n 2 + c d 2 + t 3 引。x u c s o n g w a n g 等利用无活性的褐藻海带竞争吸附水相中的n i 2 + 和c u 2 + ，结果表明在 不同温度下的竞争吸附数据可很好地用l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 吸附等温线拟合， 并且c u 2 + 比n i 2 + 在竞争中具有优势，根据热力学计算两者的吸附都属于自发、吸 热、自由度增大的过程【3 9 1 。 第二节吸附模型简介 1 2 1 吸附等温模型 依据吸附剂的异质性和同质性，吸附剂与不同形态吸附质之间的相互作用， 6 第一章引言 重金属离子在液相和固相达到吸附平衡的过程可用几个常用的吸附等温线描 述。最常用的两个非常重要的等温线模型就是f r 蹦1 d l i c h 【删和l 觚舯u i i l 4 1 1 吸附等 温线。这两个吸附模型的建立是因为生物吸附的第一阶段，被吸附的重金属离 子与溶液中的金属离子能够很快形成平衡。 l a n 舯u i r 等温吸附模型是一经典的热力学吸附模型，广泛应用于水处理及 废水处理中。它是基于吸附剂单层均质的假设，并且在被吸附的分子之间没有 任何作用。因此，当达到吸附饱和时，在吸附剂表面就不再发生吸附作用【8 1 。 l a n g m u i r 吸附等温线非线性模型可用如方程式( 1 1 ) 表示： g。=jq而mklc(11) c e 和q e 是吸附质c u 2 + 在吸附平衡时液相( r a g l ) 浓度和固相( m g g ) 中 的吸附量，k l ( l m g ) 是l a n g m u i r 常数，表征结合位点的亲和力并且可用来度量 吸附能量。q m 是根据l a n g m u i r 模型单层吸附理论得出的最大吸附量( m g g ) 。k l 和q m 可以通过模型计算得出。 符合l a n g m u i r 吸附等温线有以下特点：吸附剂表面均一，各处的吸附能力相 同，吸附是单分子层，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附量达到最大值， 在吸附剂表面上的各个吸附点之间没有吸附质转移运动，达到平衡时，吸附和 脱吸附速度相等。 为了验证c u 2 + 在活性污泥上的吸附是否符合l a n g m u i r 吸附过程，该等温线 可用一个无因次分离常数r l 区分，定义式如( 1 2 ) ： 尺，= = 之_ _ ( 1 2 ) ( 1 + ) r l 是一个无因次分离常数，b 是l a n g r n u i r 常数k l ( l m g ) 。参数r l 表明等 温线的类型：r l 1 ，该模型不适用；r e - - l ，线性；0 r l 1 ，适用；r e = 0 ， 不可逆【4 2 1 。 7 第一章引言 f r e u n d l i c h 等温线是一个用来描述多层非均质系统吸附的半经验模型，它是 基于多相表面上的吸附即在不同表面间的吸附而建立起来的吸附平衡模型，表 明吸附位点并不是等同的或者相互间不是独立的。可以用于各种非理想条件下 的表面吸附以及多分子层吸附。该公式应用广泛，可用于物理吸附，也可用于 化学吸附。非线性f r e u n d l i c h 等温线如方程式( 1 3 ) 示： l q ，= k qk f 巳二( 1 3 )。=巳一“。l l j ， c e 是平衡时液相浓度( m g l ) ，k r 为吸附系数( ( m g g ) i ( l l m g ) l n ) 是粗 略表示吸附能力的常数，n 是一个经验常数，k f 和1 1 它们分别表示吸附剂的吸 附能力和吸附强度。另外，n 在1 到1 0 之间是比较符合f r e u n d l i c h 1 2 2 吸附动力学 生物吸附是一个动态过程，为了探讨吸附机理和速率，目前很多吸附动力 学模型已经建立，如伪一级动力学模型和伪二级动力学模型表征吸附动力学和 吸附过程中的限速步骤以及些决定速率的步骤包括：扩散作用，化学反应， 颗粒扩散。本论文采用了伪级动力学模型和伪二级动力学模型如下式( 1 4 ) ( 1 5 ) 4 3 】： 1 n ( 吼一吼) = l n q 。一k i t 一“( 1 4 ) 三：i 匕一t - i - ( 1 5 ) 一= 一一i l - q ，岛g 。2q l 、 方程中q e 和q t 分别表示在吸附平衡时和t 时刻重金属离子c a 2 + 在活性污泥 上的吸附量( m g g ) ，k l 表示伪一级动力学模型速率常数( m i n 1 ) ，k 2 是伪二级 动力学模型速率常数( g ( m g r a i n ) ) 。 1 2 3 吸附热力学 用热力学参数提供了吸附作用的过程导致内在能量变化的全面信息，因此 8 第一章引言 这些热力学参数应当正确地评估。主要计算脯o ，a g o ，a s o 说明吸附过程中能 量的变化。l a n g m u i r 吸附等温线用来计算这些热力学参数，其方程式如下： i n k 耋筚一娶( 1 6 ) 只尺丁 a g o = m a r o t a s o ( 1 7 ) 其中k l 是l a n g m u i r 平衡常数( l m 0 1 ) r 是气体常数( 8 3 1 4 x 1 0 。3 k j m o l * k ) ： t 是温度( k ) 。脯。和丛。可以从l n k l 1 厂r 直线的斜率和截距中直接计算出来。 当脯。小于4 0k j m o l 时为物理吸附。当埘。在2 0 9 和4 8 1 4 k j m o l 之间是化学 吸附删。 第三节本课题的研究目的、内容和意义 1 3 1 研究的目的和意义 铜是废水中很常见的重金属离子之一，随着铜在工农业以及生产领域的广 泛应用，水体中铜的污染日趋严重，含铜废水的治理成了环保领域的重要课题 之一。铜的使用量持续升高，高浓度的铜排放到污水中。因其污染有以下特点： ( 1 ) 微量就能产生毒性效应；( 2 ) 在生物和化学作用下转化为毒性更强的化合 物；( 3 ) 不能被降解，易被生物富集，经食物链的放大作用，进入人体在肝， 肾等器官积蓄起来，造成人体慢性中毒，严重时危及人的生命；( 4 ) 易产生吸 附沉淀，对底泥中或活性污泥中的微生物产生毒害作用；( 5 ) 沉积的c u 2 + 可能重 新释放到水体中；( 6 ) 存在形态不同时，毒性不同。所以当铜进入到污水处理 厂中，不能被微生物降解，因此大量的铜会影响c o d 的去除、硝化反硝化作用， 影响污水处理厂出水水质。为了降低铜对污水处理过程的影响，提高去除效率， 对c u 2 + 在城市污水处理厂活性污泥上的吸附特性研究显得非常必要。目前不少研 究都集中与单一c u 2 + 离子的生物吸附，而对混合重金属离子同时在活性污泥上的 9 第一章引言 研究不多。除了重金属离子外，污水中经常还存在一些难降解的有机污染物。 有机污染物、其他金属离子与铜的复合研究可更明确地知道铜在活性污泥上吸 附的特性。目前，国内外很少有对p b 2 + 、阳离子表面活性剂十四烷基二甲基苄基 氯化( c 1 4 b d m a ) 、阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠( l a s ) 共同存在时c u 2 + 在活性污泥上吸附研究。因此，本研究有助于更深入明白其他物质存在下的复 杂环境, c u 2 + 在活性污泥上的吸附特性，以及p b 2 + 、c 1 4 b d m a 、l a s 对c u 2 + 在活 性污泥上的吸附特性的影响，对污水处理厂污水, c u 2 + 的去除有重要的理论和现 实指导意义。 1 3 2 研究内容 本实验选用活性污泥作为吸附剂，研究活性污泥对废水中c u 2 + 的吸附作用， 以及当p b 2 + 、c 1 4 b d m a 、l a s 存在时对c u 2 + 在活性污泥上吸附的影响。 ( 1 ) 单独c u 2 + 在活性污泥上吸附作用的研究 ( 2 ) 其他污染物p b 2 十、c 1 4 b d m a 、l a s 存在时对c u 2 + 在活性污泥上吸附作 用的影响，包括吸附平衡时间，p h ，离子强度，不同温度时的研究。 ( 3 ) c u 2 + 在活性污泥上的吸附机理研究，包括傅里叶红外表征，z e t a 电位 测定和离子色谱测定溶液中的阳离子。 1 3 3 论文结构安排 根据研究内容，本实验首先探讨c u 2 + 在活性污泥上的吸附行为；其次是进 行其他污染物( 中p b 2 + 、c l , b d m a 、l a s ) 存在时对c u 2 + 在活性污泥上的吸附特 性研究；再次对c u 2 + 在活性污泥上的吸附机理进行研究。 第二章活性污泥对c u 2 + 吸附作用研究 第二章活性污泥对c u 2 + 吸附作用研究 第一节实验药品与仪器 2 1 1 实验药品 实验所用试剂主要为五水硫酸铜( c u s 0 4 5 h 2 0 ) 、模拟废水组分以及其他 实验室日常用药。 ( 1 ) 实验所用模拟废水组成成分 表2 1模拟废水组成及各组分浓度 表2 2 微量元素组成及各组分浓度 1 1 第二章活性污泥对c u “吸附作用研究 ( 2 ) 其它实验所用药品 表2 3 其它药品 试剂名称等级规格 葡萄糖 硝酸钠 盐酸 氢氧化钠 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 ( 3 ) 活性污泥 实验用活性