《武汉工程大学学报》 2008年04期
51-53
出版日期：2008-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
固定化生物累托石处理分散生活污水的研究(Ⅱ)
——固定化生物累托石的吸附机理
1试验方法根据文献［1］的研究结果，本文主要探讨所制备的固定化累托石的吸附机理.色度吸附试验是取适量固定化生物累托石/改性累托石粉末置于200 mL红色水溶液中,在康氏振荡器上进行振荡吸附，每隔20 min测其吸光度；COD降解试验是取适量固定化生物累托石置于装有模拟生活废水的锥形瓶中,调节pH值，并充气，每隔一定时间测其COD.耗氧量测定试验是在广口瓶中注入模拟生活废水500 mL，并加入离心分离后的活性污泥1 g（固定化生物累托石16.6 g）充气10 min，投入搅拌子置于搅拌器上，同时在瓶中插入带橡皮塞的溶氧仪探头并塞紧瓶塞，调节搅拌速度使污泥成悬浮状态，随时记录溶氧仪上溶氧的读数.
2固定化生物累托石吸附等温线吸附是一个由迅速扩散和缓慢扩散两个阶段构成地双速率过程.对于累托石吸附剂吸附而言，经大量试验研究确定，选择吸附平衡时间为4 h.由固定化累托石、壳聚糖改性累托石粉末和红色水溶液构成的固液两相系统，当吸附达到平衡时，红色水溶液的色度为液相平衡浓度Ce，吸附剂的吸附量qe为固相浓度，与Ce相对应，代表吸附剂在平衡浓度为Ce时的吸附能力.温度不变，改变初始红色水溶液的浓度，进行静态吸附试验，可测得一组Ce和qe数据，所绘曲线即吸附等温线（见图1）.图1温度为30 ℃，壳聚糖改性累托石粉末用量为9 g/L,固定化生物累托石用量100 g/L，吸附时间为4 h所得到的吸附等温线.图1吸附等温线
Fig.1Isotherms of adsorption处理中常用的吸附等温线公式有Langmuir［1］和Freundlich［2］公式.Langmuir公式假定吸附剂表面均一，吸附质之间无相互作用，吸附限于单层吸附，因而可以计算出吸附剂的最大吸附量——吸附容量；在实际中，吸附剂表面很不均匀，吸附大多为多层吸附，经验性的Freundlich公式常常与实际吸附过程吻合得更好.对于Langmuir公式: qe=bp0Ce1+bCe(1)式（1）中，qe为吸附剂的色度吸附量，A/g;Ce为吸附平衡时红色水溶液的浓度，A/L;q0为吸附剂的色度吸附量qe的极限，即色度吸附容量，A/g；b为常数，L/A；A表示吸光度（A＝abc，其中a为吸光系数，单位L/(g·cm)，b为液层厚度（通常为比色皿的厚度），单位cm，c为溶液质量浓度，单位g/L.为简化表达，文中以1A表达1个单位的红色水溶液量）.对式（1）两边取倒数，得到：1qe=1bp0Ce+1q0.以1qe为纵坐标、1Ce为横坐标，绘制1qe-1Ce的关系曲线，如图2所示.图2拟合的Langmuir等温吸附线
Fig.2The adsorption anastomosis of Langmuir formula由图2可以看出，壳聚糖改性累托石粉末的1qe-1Ce线性关系很好，拟合直线方程的截距的倒数就是累托石粉末的色度吸附容量q0，固定化生物累托石的1qe-1Ce基本符合线性关系.故计算累托石粉末和固定化生物累托石的Langmuir公式结果如下：累托石粉末qe=0.095 5Ce1+1.97Ce(A/g)其中q0=0.048 5(A/g)，固定化生物累托石qe=0.0297Ce1+11.29Ce(A/g)其中q0=0.002 63(A/g).再用Freundlich公式对吸附等温线进行拟合：第4期孙家寿，等：固定化生物累托石处理分散生活污水的研究(Ⅱ)
武汉工程大学学报第30卷
qe=KfC1/ne(A/g)(2)式（2）中，qe为吸附剂的色度吸附量A/g;Ce为吸附平衡时水中浓度A/L，Kf、n为经验常数.对两边取对数logqe=1nCe+logKf，以logqe为纵坐标、log Ce为横坐标作log qe-log Ce的关系曲线，如图3所示.图3拟合的Freundlich等温吸附线
Fig.3The adsorption anastomosis of Freundlich formula由图3的结果可知，累托石粉末的线性相关性好于固定化生物累托石，累托石粉末对色度的吸附符合Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式，因此对色度的吸附表现为单分子层吸附.固定化生物累托石对色度的吸附比较符合Freundlich吸附等温式，但其线性相关性较差，可能与其本身含水而引起试验误差较大有关.Freundlich吸附等温式：壳聚糖改性累托石粉末为qe=0.031 6C0.62e(A/g)，固定化生物累托石为qe=0.003 16C0.29e(A/g).
3固定化生物累托石吸附速率在红色水溶液（初始吸光度为0.488A/L）中分别加入壳聚糖改性累托石粉末和固定化生物累托石，进行吸附动力学试验.静态试验结果如图4所示.从图4可见，壳聚糖改性累托石粉末在30 min内吸附很快，到1 h后吸附进展缓慢，到2 h可视为达到平衡.固定化生物累托石在1 h内吸附很快，到2 h后吸附进展十分缓慢，到4 h时可视为吸附达到平衡.因此，分别取吸附2 h和4 h的红墨水溶液色度作为两种吸附剂的吸附平衡浓度.图4红色水溶液吸光度变化曲线
Fig.4The curve of absorbance of red ink solution累托石吸附过程中，红色水溶液吸光度变化的速率可按一级反应来处理，得出：d(C-Ce)dt=ka(C-Ce)(3)式（3）中，Ce为液相平衡浓度A/L，k为吸附速率常数， a为累托石比面积.ka代表在单位时间内，每克累托石所吸附的浓度，量纲为时间-1，称为总速率常数，式中用红色水溶液的有效色度（C-Ce）代替表观浓度C0,对上式积分后作ln［(C0-Ce)/(C-Ce)］对t的图，线性拟合后，直线斜率即ka值，图5（a）和(b)分别为固定化生物累托石和累托石粉末的ln［(C0-Ce)/(C-Ce)］-t曲线图.
（a）固定化生物累托石（b）累托石粉末
图5累托石的ln［(C0-Ce)/(C-Ce)］与时间关系图
Fig.5The curve of ln［(C0-Ce)/(C-Ce)］of rectorite and time由图5 中ln［(C0-Ce)/(C-Ce)］-t的曲线斜率可求取总速率常数ka分别为0.584 5和0.470 5，且在上述吸附条件下，ln［(C0-Ce)/(C-Ce)］对t的线性关系较好.
4固定化生物累托石的复苏
4.1COD降解试验活性污泥降解污水中的污染物是通过其本身的生长和繁殖代谢作用，因此保持其生物活性非常重要.为使微生物恢复活性，更有效地处理生活废水，将制备好的固定化生物累托石颗粒10 g置于200 mL模拟生活废水中，在锥形瓶中充气，每隔24 h测定COD的去除率.当该去除率稳定在70%以上时，则认为其活性己得到恢复且保持稳定，此时可以进行后续试验.试验结果如图6所示.由图6可知，将固定化生物累托石颗粒放置在400 mg/L左右的模拟生活废水中培养1 d后，废水的COD升高至1673.61 mg/L，可能是由于在固定化过程中进入颗粒的固定化试剂溶出导致COD升高，试验进行5 d后，固定化生物累托石的活性开始恢复，而且对COD的去除率开始升高.8 d后COD去除率稳定在70%以上.因此，后续试验中将固定化生物累托石颗粒培养8 d后再进行降解试验.
4.2微生物的耗氧测试污泥耗氧量是评价污泥中微生物代谢活性的重要指标，耗氧量若大大高于正常值往往是提示污泥负荷过高，这时出水水质较差，残留COD较多，处理效果也差.耗氧量长期低于正常值，这种情况往往在活性污泥低负荷的延时曝气处理系统中可见，这时出水中的残留有机物数量少，处理完全，但若长期运行，会使微生物因缺乏营养而死亡.为考查包埋在固定化体系中微生物的生物活性状况，将制备好的包埋颗粒10 g置于200 mL模拟生活污水中，在锥形瓶中充气，每隔24 h进行微生物的耗氧测试.试验结果如图7所示.从图7可知：固定化颗粒在废水培养的前3天内，颗粒的氧气消耗极为缓慢，在第4到第5天之间，颗粒的氧气消耗随着时间的增加而显著增加，随着时间的推移，到第6天后，其氧气消耗与等量的活性污泥趋于一致.图624小时COD去除率图
Fig.6The COD removalof 24 h图7固定化生物累托石的溶氧消耗图
Fig.7The exertion of oxygen by immobilized biological rectorite5结语壳聚糖改性累托石粉末和固定化生物累托石均能较好的符合Langmuir公式和Freundlich公式，而在两个公式中，壳聚糖改性累托石粉末的线性关系均更好，累托石粉末的Langmuir公式:qe=0.095 5Ce1+1.97Ce.固定化生物累托石的Langmuir公式:qe=0.029 7Ce1+11.29Ce.累托石粉末的Freundlich公式:qe=0.031 6C0.62e，固定化生物累托石的Freundlich公式:qe=0.003 16C0.29e.吸附过程中，红色水溶液吸光度变化的速率基本符合一级反应，累托石粉末和固定化生物累托石的总速率常数ka值分别为0.584 5和0.470 5.活性污泥在固定化过程中，微生物的活性受到一定程度的影响.固定后微生物的活性比固定前有所降低，但通过在COD为400 mg/L的废水中培养7 d后，微生物的活性基本得到恢复且强度较好.