活性污泥納米鐵銅復合材料處理玫瑰紅廢水試驗研究

朱敏聰，余晨輝，李丹丹，趙 睿，徐 俊，馮狀狀，黃明強

（閩南師范大學化學化工與環境學院，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生的固態、半固態及液態的廢棄物，其數量巨大、增長迅速，已成為一種新的污染源，給城市環境帶來極大威脅，解決活性污泥處置問題迫在眉睫[1-2]。活性污泥含有60%～70%的粗蛋白質、25%左右的碳水化合物，這些有機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，常用來制造吸附劑以處理印染廢水，進而實現資源化利用[3-4]。然而，活性污泥吸附劑制備工藝流程復雜，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，需要開發多功能活性污泥復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、更強的吸附性和更高的反應活性，是近些年來興起的化學還原技術[6]。將納米鐵顆粒負載在活性炭、淀粉、膨潤土等載體上制成復合材料，可有效防止納米鐵粒子在水中團聚、失活，提高反應活性，降低處理成本[7-8]。研究表明，在納米鐵復合材料制備過程中，添加少量的銅、鎳等金屬，形成二元金屬復合材料體系，既能提高納米鐵在空氣中的穩定性，又能增加納米鐵表面的活性吸附點，提高復合材料應用于印染廢水處理的吸附和還原性能[9]。活性污泥絮體顆粒粒徑分布范圍寬，表面積大，呈現網狀機構，是良好的載體，但是以城市污泥為載體負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合材料，并將其應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行資源化應用提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 活性污泥納米鐵銅復合材料的制備

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℃的烘箱內干燥10 h后，保存備用。

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Fe3+和Cu2+，在105℃的烘箱內干燥24 h，冷卻至室溫后將其轉移至燒杯中，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，充分攪拌，待NaBH4溶液全部滴完后，再攪拌2 h使其反應完全。快速抽濾后，置于105℃干燥箱中干燥24 h，得到活性污泥納米鐵銅復合材料。

1.2 復合材料處理玫瑰紅試驗研究

取一定量的活性污泥納米鐵銅復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的轉速攪拌。攪拌一定時間后取樣離心分離，取上清液用波長設定為554 nm的分光光度計測定溶液中玫瑰紅吸光度。根據處理前后溶液吸光度的變化，計算復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到95%。此后，隨著攪拌時間的延長，降解率不再呈現明顯的上升趨勢，而是趨于平衡。這表明活性污泥載體能夠吸附玫瑰紅，而負載的納米鐵具有較強的還原能力，快速還原玫瑰紅。活性污泥納米鐵銅復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，印染分子的結構會有所改變。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合材料，置于磁力攪拌器上以120 r/min的轉速攪拌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。強酸和強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，玫瑰紅的去除率達到了最大值。因此，活性污泥納米鐵銅復合材料不宜在強酸和強堿環境下使用，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合材料的用量是玫瑰紅印染廢水處理主要的參數之一。為考察復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合材料用量的增加，玫瑰紅去除效率逐漸增大。但當活性污泥納米鐵銅用量超過1.0 g后，增加復合材料的用量，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際應用，宜用10 g/L的用量處理玫瑰紅印染廢水。

圖3 復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，用NaBH4處理這些復合材料，再用這些活化的活性污泥納米鐵銅繼續處理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到85%，具有較好的活化再生性能。

3 結論

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合材料。當活性污泥、氯化亞鐵和氯化銅的質量比為20:10:1時，制得的活性污泥納米鐵銅復合材料還原能力強，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。復合材料活性再生性能好，經過十余次活化后仍對玫瑰紅廢水具有較好的去除效率。活性污泥納米鐵銅可嘗試應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行資源化利用提供了新思路。

圖4 活性污泥納米鐵銅復合材料的活化效果