城市污水处理厂污泥对水中硫化物的吸附特性

中国环境科学2014,34(4)：930~934ChinaEnvironmentalScience城市污水处理厂污泥对水中硫化物的吸附特性欧阳云1,2,席劲瑛1,3*,王智超1,胡洪营1,2,3(1.清华大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100084；2.清华大学深圳研究生院,广东深圳518055；3.环境保护部环境微生物利用与安全控制重点实验室,北京100084)摘要：为研究城市污水厂污泥对水中硫化物的吸附特性,从3座城市污水处理厂采集回流污泥,考察了硫化物浓度、温度、pH值和其他离子对污泥吸附硫化物的影响.结果表明,污水厂回流污泥对硫化物的吸附等温线可以用Langmuir方程很好地描述,其最大硫化物吸附量为15~27mg/g-干污泥.在温度为5~35℃条件下,吸附量随温度上升而增加,表明该吸附为吸热过程.pH值在2~7范围内,pH值对污泥吸附硫化物的影响不大,当pH值低于2时,污泥对硫化物的吸附量随pH降低显著减小.硫化物可能以离子形式被污泥吸附,该过程为化学吸附过程.水中存在0~25mg/LCl-或0~12mg/LSO2-4不影响污泥对硫化物的吸附量.关键词：污泥；硫化物；吸附特性；污水处理厂中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)04-0930-05Adsorptioncharacteristicsofsulfideontotheactivatedsludgeofmunicipalwastewatertreatmentplants.OUYANGYun1,2,XIJin-ying1,3*,WANGZhi-chao1,HUhong-ying1,2,3(1.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China；2.GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen518055,China；3.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofMicroorganismApplicationandRiskControl,Beijing100084,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(4)：930~934Abstract：Inthisstudy,activatedsludgesampleswerecollectedfrom3municipalwastewatertreatmentplants(WWTP)andtheperformanceandimpactingfactorsofsulfidesadsorptionontotheactivatedsludgewereinvestigated.Theimpactingfactorsincludesulfidesconcentration,temperature,pHandotheranions.AdsorptionisothermofsulfideontotheactivatedsludgecanbewelldescribedbyLangmuirequation.Themaximumsulfideadsorptioncapacitywas15~27mg/g-drysludge.Atthetemperaturesrangingfrom5to35℃,adsorptioncapacityincreasedbytheriseintemperatureandthisimpliesthesulfidesadsorptionwasanendothermicprocess.ThepHvaluehadlittleeffectontheadsorptioncapacityfrom2to7.ButthesulfidesadsorptioncapacitydecreasedsignificantlywhenpHwaslowerthan2.Sulfideswereadsorbedbyactivatedsludgeasanions(HS-andS2-)anditwasachemicaladsorptionprocess.Cl-rangingfrom0to25mg/LorSO2-4rangingfrom0to12mg/Ldidnotaffectthesulfidesadsorptioncapacity.Keywords：activatedsludge；sulfides；adsorptioncharacteristics；wastewatertreatmentplants近年来,城市污水处理厂的恶臭污染问题逐渐引起了广泛关注[1-4].对于城市污水厂,H2S是最典型的恶臭物质[5].H2S从污水和污泥释放到空气中,不仅严重影响人们的正常生活[6],也会腐蚀污水处理构筑物和设备[7].为了控制污水厂的恶臭污染,一般需对恶臭源加盖封闭,然后用物理法、化学法或生物法对收集到的恶臭气体进行处理[8-9].除了收集处理的方式外,也可以采用源头控制的方式对城市污水处理厂的恶臭污染进行控制.在污水厂进水中投加氧化剂、pH值调节剂或吸附剂等药剂后,可以通过氧化、酸碱反应或吸附作用减少污水中游离H2S浓度,从而达到减少污水释放H2S的目的.改性沸石、硅藻土等均对硫化物具有显著的吸附作用[10−11],但上述吸附剂收稿日期：2013-08-10基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2011ZX07301-003);环境模拟与污染控制国家重点联合实验室专项课题(11Y04ESPCT)*责任作者,副研究员,[e-mail]4期欧阳云等：城市污水处理厂污泥对水中硫化物的吸附特性931因成本较高无法在污水中连续投加和大规模应用.污水厂污泥对水中的硫化物和气体中的H2S均具有显著去除作用[12−13],并且由于污泥在污水厂可就地取得,非常适合在实际工程中大规模应用[14].尽管污泥在H2S恶臭污染的源头控制方面表现出了一定潜力,但是对其硫化物吸附特性和机理尚缺乏相关的研究.本研究选取苏州和北京的3座城市污水处理厂,取其二沉池回流污泥研究了污泥在不同硫化物浓度、温度、pH值和投加离子条件下对水中硫化物的吸附特性.旨在为利用污泥吸附硫化物和控制H2S排放提供参考.1材料与方法1.1试验材料1.1.1污泥选择北京的2座城市污水处理厂(污水厂A、B)和苏州某城市污水处理厂(污水厂C),采集二沉池排放的回流污泥,各污水厂均采用A2/O工艺.将采集到的污泥置于4℃冰箱内密封保存备用.每次进行硫化物吸附试验前,测定污泥悬浮固体浓度(MLSS)、挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)和酸可挥发性硫化物(AVS).其中,AVS反映了吸附试验前污泥含有的硫化物.以上的污泥基本性质测定结果如表1所示.表1污泥基本性质Table1Thepropertiesoftheactivatedsludges污泥来源MLSS(g/L)MLVSS(g/L)AVS(mg/g)污水厂A7.05~7.374.99~5.4215.12~17.93污水厂B5.13~5.203.27~3.483.31~4.22污水厂C16.87~17.1110.14~11.1713.93~15.741.1.2硫化物溶液用分析纯Na2S·9H2O配制硫化物母液,用稀盐酸调节pH值至7左右,母液硫化物浓度为30~50mg/L(硫化物浓度以S计).后续试验根据需要,将母液用无氧水稀释成浓度为0~30mg/L的硫化物溶液.由于硫化物易被氧化,且H2S易挥发,该溶液现配现用.1.2吸附试验方法1.2.1吸附等温线测定在25℃条件下,将2mL污泥和15mL硫化物溶液加入螺旋口玻璃瓶中混合,玻璃瓶总体积44mL.用聚四氟乙烯胶垫(上海安普科技有限公司)密封玻璃瓶,将其置于数显型加热搅拌仪上搅拌40min(预实验表明吸附在40min前达到平衡),搅拌速率400r/min.在40min时检测溶液中的硫化物平衡浓度.通过硫化物与污泥混合前的初始浓度和混合后的平衡浓度可以计算污泥对硫化物的吸附量(以污泥干重计),再加上污泥的AVS即可得到污泥对硫化物的总吸附量.1.2.2温度对吸附的影响为了考察温度对污泥吸附硫化物的影响,本研究选取污水厂B的回流污泥,测定了该污泥在5,15,25,35℃下的吸附等温线,硫化物的初始浓度为0~30mg/L,其他操作同1.2.1.1.2.3pH值对吸附的影响取污水厂B的回流污泥,用稀盐酸调节污泥pH值为0~7(该pH值范围内污水更容易释放硫化氢形成污染),并与0.45mg/L的硫化物溶液混合,40min后再次测定混合液pH值作为平衡时的pH值,试验温度25℃,其他操作同1.2.1.1.2.4离子对吸附的影响污水中除了有HS-和S2-外,还有Cl-、SO2-4等其他离子,本研究考察了它们对污泥吸附硫化物的影响.Cl-的浓度为0~25mg/L,SO2-4的浓度为0~12mg/L,试验温度25℃,硫化物初始浓度均为18mg/L,其他操作同1.2.1.1.3分析方法水中硫化物浓度采用顶空气相色谱法测定.吸附平衡后,取螺旋口瓶的顶空气样250µL,注入气相色谱(SHIMADZUGC-14B)分析.分析条件:FPD检测器,色谱柱30m×0.32mm×1µm(CD-WAX),初始柱温设定为35℃,保持3min后以8℃/min的速率升至240℃,保持3min,检测器温度250℃.采用色谱工作站(N-2000,浙江大学智能信息工程研究所)进行色谱数据采集.硫化物采用外标法定量.污泥MLSS和MLVSS采用电子天平(上海梅特勒—托利多)、SX2-4-10箱式电炉(上海浦东荣丰)测定.AVS采用顶空气相色谱法测定[15].混合液pH值采用便携式pH值测定仪(北京哈纳932中国环境科学34卷沃德)测定.1.4吸附等温线的拟合本研究根据吸附等温线类型,分别采用Freundlich和Langmuir方程对其进行拟合.2结果与讨论2.1不同污泥的硫化物吸附等温线由图1可知,随着硫化物平衡浓度增大,污泥的硫化物吸附量一开始大幅度增加,随后增加幅度越来越小.经比较发现,3个污水厂污泥对硫化物的吸附量的顺序是:污水厂C污水厂A污水厂B.这表明,不同污水厂的污泥对硫化物的吸附能力存在差异,但决定污泥硫化物吸附能力的因素还有待进一步研究.302520151050硫化物吸附量(mg/g)012345硫化物浓度(mg/L)污水厂A污水厂B污水厂C图13种污泥的硫化物吸附等温线(25℃)Fig.1Sulfidesadsorptionisothermcurvesofactivatedsludgescollectedfrom3WWTPs(25℃)表2吸附等温线拟合曲线参数Table2CalculatedparametersinadsorptionisothermsofsulfidesonactivatedsludgeFreundlich方程Langmuir方程污泥来源nkR2b(L/mg)Г∞(mg/g)R2污水厂A13.3722.070.89067.8825.380.9973污水厂B10.0011.520.43235.9415.600.9951污水厂C13.9326.790.754533.529.850.9999注:k、n为Freundlich方程的吸附常数,与吸附剂、吸附质的种类和温度有关,无量纲;b为Langmuir方程的吸附常数;Г∞为最大吸附量;R2为相关系数由图1可知,污泥对硫化物的吸附符合吸附等温线中的I型曲线,属于单分子层吸附,可用Freundlich方程或langmuir方程描述[16].分别用Freundlich方程和Langmuir方程对数据进行拟合,结果如表2所示.由表2可知,3种污泥对硫化物的吸附均符合Langmuir等温方程,