黃河不同泥沙組分對水中CODMn的降解性能研究

宋鵬飛　馮淑琪　李杰　趙瑞峰

摘要：為研究黃河不同泥沙組分對CODM0的降解特性，以黃河蘭州段的沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙為供試樣品，采用批量實驗法對比了黃河泥沙降解規(guī)律、動力學和熱力學特征。結果表明，黃河懸浮態(tài)泥沙較沉積性泥沙達到吸附平衡所用時間更短、吸附速率更快、平衡吸附量更大;對比滅菌前、后黃河不同泥沙組分的吸附作用.黃河沉積性泥沙滅菌前的平衡吸附值為1. 930 mg/g，滅菌后為1.691 mg/g，黃河懸浮態(tài)泥沙滅菌前的平衡吸附值為2. 446 mg/g，滅菌后為1.761 mg/g，且滅菌前的吸附速率常數(shù)更大，說明黃河泥沙附著的微生物促進了CODMn的降解，但作用小于吸附作用。

關鍵詞：沉積性泥沙;懸浮態(tài)泥沙;吸附;降解;化學需氧量

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（ 2020） 04-007303

1 引言

黃河是世界上含沙量最大、平均濁度最高的河流[1]，其泥沙根據(jù)存在狀態(tài)的不同，可分為沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙[2]。黃河泥沙有巨大的比表面積，它們與排人河流水體中的有機污染物在接觸面上會發(fā)生復雜的界面效應[3];其粗糙多孑L的表面存在著多種活性物質，增強了泥沙對水體污染物的吸附降解作用[4]。因此黃河泥沙成為污染物在黃河水體中擴散、遷移和轉化的主要載體[5]，從而影響流經區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。研究黃河泥沙的吸附降解機制對黃河水環(huán)境生態(tài)評判有重要意義。

現(xiàn)有關于泥沙對污染物質的遷移、轉化研究主要集中于沉積性泥沙，而關于懸浮態(tài)泥沙的研究還很少。沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙對有機物吸附作用的強弱有待于進一步研究;另外，泥沙與污染物接觸界面除發(fā)生吸附降解作用，還有生物降解作用[6]，當吸附與生物作用共存時，哪種作用對水體有機物的去除作用更大也有待研究。因此，本文運用動力學和等溫平衡實驗方法[7]，研究了黃河泥沙對CODMn的降解性能，比較了沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙的降解能力差異，揭示了黃河泥沙在CODMn吸附降解過程中發(fā)揮的作用，為環(huán)境評估和提高黃河流域的水環(huán)境質量提供了依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 材料

本實驗所用黃河沉積性泥沙樣品采自夏季黃河蘭州段銀灘大橋下河床表層0～5 cm范圍[8]，黃河懸浮態(tài)泥沙為同一地點黃河水離心后的固體物質，取回后過20目篩，一部分置于冰箱4℃保存?zhèn)溆茫Ｓ嗖糠掷酶邏赫羝麥缇缇罄洳乇４鎇9-11]。

實驗用水為模擬微污染水，采用葡萄糖（分析純）配制，CODMn濃度范圍為4.0～8.4 mg/L。

2.2 測試方法

高錳酸鹽指數(shù)采用酸式滴定法測定[12]。

2.3 吸附模型

動力學實驗中采用Lagergren準一級和準二級吸附動力學模型進行擬合[13-15]。熱力學實驗采用Lang-muir模型、Freundlich模型和D-R模型進行擬合并探究吸附機理[16.17]。

2.4 實驗方法

2.4.1 吸附動力學實驗方法

于6個1L的燒杯中分別加入不同初始濃度的微污染水，而后分別同時加入相同粒徑和質量的滅菌前、后的黃河沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙2.5 g/L，于溫度為25℃、轉速為200 r/min下震蕩不同時間，出水沉淀30min后以4000 r/min離心20 min，測定上清液中CODMn[18-21]。

2.4.2 吸附熱力學實驗方法

實驗方法與吸附動力學實驗方法類似，不同的是水樣振蕩時間為60 h，終點取樣并恒溫靜置2 h[22]。

3 結果與分析

3.1 黃河不同泥沙組分滅菌后對CO DMn的吸附性能研究

研究在25℃下滅菌后的黃河泥沙于不同CODM。初始濃度下隨時間變化的吸附規(guī)律。如圖1所示，隨著CODMn初始濃度的增大，CODMn平衡吸附量也逐漸升高，在4～8.4 mg/L之間的六個梯度下達到吸附平衡時，黃河沉積性泥沙吸附后的高錳酸鹽指數(shù)分別為1. 38mg/L、1.65 mg/L.l. 88 mg/L、2.11 mg/L、2.2 mg/L、2. 38 mg/L，黃河懸浮態(tài)泥沙吸附后的高錳酸鹽指數(shù)分別為1. 09 mg/L.1.38 mg/L、1.5 mg/L.1.68 mg/L、1. 91 mg/L、2.13 mg/L。黃河沉積性泥沙約60 h達到吸附平衡，而懸浮態(tài)泥沙約24 h達到吸附平衡，相比之下，黃河懸浮態(tài)泥沙更容易達到吸附平衡。

黃河沉積性泥沙與懸浮態(tài)泥沙的吸附動力學參數(shù)結果見表1。由表1可知，準二級動力學方程對黃河泥沙吸附CODMn的擬合效果更好，黃河沉積性泥沙的平均單位吸附量為1. 691 mg/g，懸浮態(tài)泥沙的平均單位吸附量為1. 761 mg/g，說明黃河懸浮態(tài)泥沙對CODMn的最大吸附量大于黃河沉積性泥沙。

分別利用等溫吸附模型：Langmuir模型、Freundli-ch模型、D-R模型對實驗結果進行擬合，擬合參數(shù)如表2所示。Langmuir模型能更好的描述黃河泥沙對CODMn的吸附過程，由表2中參數(shù)K1和qe可知，黃河懸浮態(tài)泥沙的自發(fā)反應程度和吸附能力均高于沉積性泥沙[24]。

3.2 黃河不同泥沙組分滅菌前對CODMn的吸附性能 研究

在25℃下研究滅菌前的黃河泥沙于不同CODMn初始濃度下隨時間變化的吸附規(guī)律，如圖1所示。黃河不同泥沙組分滅菌前對CODMn的吸附規(guī)律與滅菌后類似，不同的是，滅菌前黃河沉積性泥沙的吸附平衡時間減少為48h，黃河懸浮態(tài)泥沙的吸附平衡時間減少為24h，且平衡吸附量有所升高，可能是受微生物的降解作用影響。

黃河沉積性泥沙與懸浮態(tài)泥沙的吸附動力學參數(shù)結果如表3，準二級動力學方程對黃河泥沙吸附CODM。的擬合效果更好。由表3可知，黃河沉積性泥沙的平均單位吸附量為1. 930mg/g，懸浮態(tài)泥沙的平均單位吸附量為2. 446mg/g，說明黃河懸浮態(tài)泥沙對CODMn的吸附能力大于黃河沉積性泥沙。

等溫吸附模型擬合參數(shù)如表4所示，Langmuir模型能更好的描述黃河泥沙對CODMn的吸附過程。由表4可知，黃河沉積性泥沙的白發(fā)反應程度高于懸浮態(tài)泥沙，黃河懸浮態(tài)泥沙的吸附降解能力高于沉積性泥沙。

3.3 黃河不同泥沙組分對CODMn的吸附與降解性能比較

泥沙上附著的微生物對水體中物質循環(huán)與轉化、有機污染物的降解有很大的積極作用。對比25℃時黃河泥沙滅菌前后對CODMn的去除效果，可得出黃河泥沙的吸附作用與降解作用大小。

對比黃河泥沙不同組分滅菌前后的二級動力學擬合結果。黃河沉積性泥沙吸附C（）DMn的平衡吸附值為1. 691 mg/g，吸附、降解CODMn的平衡吸附值為1.93mg/g，且吸附、降解作用的速率常數(shù)更大，說明黃河沉積性泥沙附著的微生物促進了CODM。的降解，降解率增加了16%;黃河懸浮態(tài)泥沙吸附CODMn的平衡吸附值為1. 761 mg/g，吸附、降解CODMn的平衡吸附值為2. 446 mg/g，說明生物降解作用使CODMn去除率提高了26. 8%。黃河泥沙在吸附、降解作用下達到平衡的時間較單純吸附作用縮短1/4，說明黃河泥沙對CODMn的降解作用也是水體自凈作用的主要方式之一，但作用小于吸附作用。

4 結論

（1）在滅菌后，黃河沉積性泥沙吸附不同初始濃度CODMn約60 h達到平衡，懸浮態(tài)泥沙約24 h達到吸附平衡;準二級動力學方程可更好的描述黃河泥沙吸附CODMn的過程，由準二級動力學參數(shù)可知，黃河懸浮態(tài)泥沙的吸附能力高于沉積性泥沙。

（2）在滅菌前，黃河沉積性泥沙吸附、降解不同初始濃度CODMn約48 h時達到平衡，黃河懸浮態(tài)泥沙約24h達到平衡;準二級動力學方程可更好的描述黃河泥沙吸附、降解CODMn的過程，由準二級動力學參數(shù)可知，黃河懸浮態(tài)泥沙對CODMn的吸附、降解能力大于黃河沉積性泥沙。

（3）對比滅菌前后黃河泥沙不同組分的吸附、降解作用與單純吸附作用，黃河沉積性泥沙與懸浮態(tài)泥沙吸附、降解CODMn的平衡吸附值均大于單純吸附作用下的平衡吸附值，說明黃河泥沙附著的微生物促進了CODMn的降解，黃河泥沙對CODMn的降解作用也是黃河水自凈作用的主要方式之一，但作用小于吸附作用。

參考文獻：

[1]金雙彥，黃河中下游泥沙預報模型研究[D].南京：河海大學，2007.

[2]鄧莎，環(huán)境因素對滇池外海中心沉積物磷釋放的影響[D].昆明：昆明理工大學，201 3.

[3]鄭毅.黃土高原地區(qū)河流型水源地保護區(qū)的劃分研究[D].太原：太原理工大學，2006.

[4]嚴剛剛，三峽庫區(qū)重慶典型彎道段泥沙與重金屬污染物關系研究[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[5]楊程，三峽庫區(qū)懸浮態(tài)泥沙吸附解吸磷酸鹽影響因素研究[Dl.重慶：重慶大學，2007.

[6]鄭泉.泥沙含量對黃河蘭州段氨氮降解過程和水質監(jiān)測結果影響的試驗研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[7]王興榮，蔣煜峰，王拯，等.黃河蘭州段底泥對硝基苯的吸附行為[J].中國環(huán)境科學，201 7，37（4）：1523-1529.

[8]王穎超.黃河蘭州段懸移質泥沙對氨氮的吸附解吸特性研究[Dl.蘭州：蘭州交通大學，2014.

[9]徐靈峰.微生物活動對市區(qū)景觀湖泊的水質和底泥污染釋放的影響[D].杭州：浙江大學，2010.

[10]錢燕.基于對微生物活動限制的富營養(yǎng)化水體氮磷的控制研究[D].武漢：華中農業(yè)大學，2015.

[11]侯永俠，楊繼松，陳紅亮，等.2，4一二氯苯酚在土壤與河流底泥中降解動力學[J].生態(tài)學雜志，2011，30（3）：424-429.

[12]國家環(huán)保局本書編委會，水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2006.

[13]黎冰，解啟來，廖天，等，扎龍濕地表層沉積物有機氯農藥的污染特征及風險評價[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（2）：347 -353.

[14]Deniz F. Potential use of shell biomass （Juglans regia L.）for dyeremoval： Relationships between kinetic pseudo-second-order mod-el parameters and biosorption efficiency[J]. Desalination&Wa-ter Treatment， 2014， 52（ 1-3）： 219～226.

[15]Munir K ，Yusuf M，Noreen Z， et al. Isotherm studies for determi-nation of removal capacity of bi-metal（ Ni and Cr） ions by Aspergillusniger[J]. Pakistam Journal of Botany， 2010， 42（1）： 593～604.

[16] Zaghouane-Boudiaf H， Boutahala M， Tiar C， et al. Treatment of2，4， 5-trichlorophenol by MgAI-SDBS organo-layered double hy-droxides： Kinetic and equilibrium studies[J]. Chemical Engineer-ing Journal，2011，173（1）： 36～41.

[17]蔣煜峰.Uwamungujean Yves，孫航，等.添加小麥秸稈生物炭對黃土吸附苯甲腈的影響[J].中國環(huán)境科學，2016，36（5）：1506 -1513.

[18]晏彩霞，楊毅，劉敏，等.原煤及富碳沉積物對疏水性有機污染物吸附解吸研究進展[J].長江流域資源與環(huán)境.2011，20（6）： 768-774.

[19] Bauer M， Blodau C.Arsenic distribution in the dissolved， colloidaland particulate size fraction of experimental solutions rich in dis-solved organic matter and ferric iron[J]. Geochimica Et Cosmo-chimica Acta， 2009， 73（3）： 529～542.

[20]郭雪雁.土壤顆粒態(tài)有機質和木質素對有毒污染物的吸附特性研究[D].北京：中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，2007.

[21]金海玲，胡恭任，海洋沉積物中重金屬污染防治研究進展[J].地球與環(huán)境.2004，32（z1）：7—13.

[22]武福平，王穎超，顏曉飛，等，黃河蘭州段懸移質泥沙對氨氮的吸附特性[J].環(huán)境工程學報，2014，8（8）：3201-3207.

[23]周琦，蔣煜峰，孫航，等.對羥基聯(lián)苯在黃河蘭州段底泥上的吸附行為[J].環(huán)境科學.2016，37（9）：3453-3459.

[24]楊程.三峽庫區(qū)懸浮態(tài)泥沙吸附解吸磷酸鹽影響因素研究[D].重慶：重慶大學，2007.

基金項目：甘肅典型缺水地區(qū)農村飲水處理技術及系列設備研發(fā)（編號：l8YFIFA010）;國家重點研發(fā)項目（編號：2016YFC0400705）

作者簡介：宋鵬飛（1995- ）.男，碩士研究生，主要研究方向為污水處理與大氣污染防治。