固定床中好氧颗粒污泥动态吸附结晶紫染料

中国环境科学2015,35(6)：1726~1733ChinaEnvironmentalScience固定床中好氧颗粒污泥动态吸附结晶紫染料张彦灼,李文静,李军*,卞伟,李芸,陈光辉(北京工业大学建筑工程学院,北京市水质科学与水环境恢复工程北京市重点试验室,北京100124)摘要：针对印染废水色度高,脱色难度大的问题,通过固定床工艺利用灭活的好氧颗粒污泥(AGS)对水中结晶紫(CV)进行动态吸附.通过对固定床高度、CV初始浓度和和流速对穿透曲线的影响进行探讨,采用Thomas模型和BDST模型对动态吸附试验所得数据拟合并获得了相应参数.试验结果表明,随着固定床高度的增加,穿透时间和饱和吸附时间延长;当CV初始浓度和流速增加时,穿透时间和饱和吸附时间急剧缩短.Thomas模型能够很好地描述AGS对CV的动态吸附动力学.当CV浓度为100mg/L,流速为8.3mL/min,固定床高度为20cm时AGS对CV的吸附动力学与Thomas模型拟合程度最好,相关系数为0.9813.BDST模型能准确预测穿透时间,平均误差小于10%.吸附CV染料后AGS可用无水乙醇进行再生.关键词：好氧颗粒污泥；结晶紫；动态吸附；固定床；BDST模型；Thomas模型中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)06-1726-06Fixedbedcolumnstudyfortheadsorptionofcrystalvioletdyebyaerobicgranularsludge.ZHANGYan-zhuo,LIWen-jing,LIJun*,BIANWei,LIYun,CHENGuang-hui(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(6)：1726~1733Abstract：Thehighcolorityandhardtodecolorizationwerethemostimportanttasksonprintinganddyeingwastewater.Theabilityofinactivatedaerobicgranularsludge(AGS)toadsorbcrystalviolet(CV)fromaqueoussolutionsusingfixedbedcolumnreactorwerestudied.Columnadsorptionstudieswerecarriedoutatdifferentbedheights,initialdyeconcentrationsandflowrate.ColumnadsorptionexperimentaldataandcorrespondingparameterswereobtainedbyThomasmodelandbeddepthservicetime(BDST)model.Resultsshowedthatastheheightofadsorbentwasincreasing,breakthroughtimeandadsorptionsaturationtimebecamelonger.Butwhentheinitialdyeconcentrationsandflowratewereincreasing,breakthroughtimeandadsorptionsaturationtimebecameshorter.ThomasmodeldescribedcolumnadsorptionofCVkineticswell.WhenconcentrationofCVat100mg/L,flowrateat8.3mL/minandfixedbedheightat20cm,Thomasmodelshowedgoodagreementwiththeexperimentalresults(R2=0.9813).BDSTmodelcouldpredictbreakthroughtimeaccuratelyandaverageerrorwerelessthantenpercent.DesorptionofCVfromAGSwasusingEthylalcoholabsolute.Keywords：aerobicgranularsludge；crystalviolet；columnadsorption；fixedbedcolumn；BDSTmodel；Thomasmodel目前,许多合成染料通过多种渠道(纺织、皮革、纸、印刷、食品、化妆品、油漆、颜料、石油、溶剂、橡胶、塑料、农药等)进入水中,残留的染料或是染料的代谢物均会对植物、动物和人类造成毒害、致癌或是引起诱变[1-2].结晶紫(CV)作为一种典型的阳离子染料,具有多种用途:生物染色剂、用于皮肤病的治疗、家畜和家禽饲料的添加剂用来抑制霉菌的繁殖、消灭肠道寄生虫和真菌等作用[3].染料废水通常采用物理或化学处理过程,然而,这些技术通常对于颜色去除效果不佳、费用高而且处理染料废水有很大的局限性[4].作为去除染料最有效的方法,吸附法广泛用于染料污染物的去除[5].许多人将椰子壳[6]、甘蔗粉末[7]、苦楝树木屑[8]、松果树皮粉末[9]、淀粉聚收稿日期：2014-10-30基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX0740-6002)*责任作者,教授,[e-mail]6期张彦灼等：固定床中好氧颗粒污泥动态吸附结晶紫染料1727合物[10]和橘子皮[11]作为廉价的生物吸附材料.生物吸附的定义为利用活性生物材料吸收有机物和无机物,其中包括重金属、染料和气味等[12].与传统的活性污泥相比,好氧颗粒污泥(AGS)具有良好的沉降性能,密集的微生物结构和孔隙度[13].迄今为止,在废水处理中,作为污水处理的自固定化微生物,AGS可以用于处理高浓度有机物、氮、磷、有毒和有害物质废水等[14].Wang等[15]利用Fe(III)处理的AGS对水中重金属锑(Sb)进行吸附都取得了良好效果.Vieira等[16]利用玻璃珠结合壳聚糖在固定床中处理食用色素得到了良好的试验结果.AGS的吸附试验主要集中于静态吸附,而动态吸附是实际应用的主要工作方式,所以有必要对动态吸附进行研究.然而,国内外对于AGS动态吸附CV还鲜有报道.本试验将灭活的AGS作为吸附剂装入固定床吸附柱,研究了填料层高度、CV废水流速、CV初始浓度对动态吸附的影响,分别用Thomas模型和BDST模型预测了AGS对CV的吸附性能,期望开发一种成本低、可再生循环使用的染料废水处理的吸附剂.1材料与方法1.1好氧颗粒污泥及其灭活该试验所采用污泥为试验室培养的AGS,AGS的培养过程:取北京某污水处理厂曝气池的活性污泥作为种泥装入SBR反应器中,SBR反应器特征为:圆柱形,高径比为6.5,有效体积25L,容积交换率为50%;维持水温在25℃;SBR反应器在培养初期通过电磁式空气泵进行曝气,空气流量为0.2m3/h.每天运行4个周期,进水5min,曝气330min,沉淀20min排水5min.一个周期为360min,静止沉淀时间随着培养时间梯度缩小至1min.AGS培养采用人工模拟废水,具体成分见表1.稳定运行20d后,在反应器内获得AGS,65d后AGS成熟,颗粒尺寸约4.0mm,污泥浓度(MLSS)质量浓度为3000mg/L左右,污泥容积指数(SVI)平均为65mL/g.预处理:将好氧颗粒污泥放入零下20℃的冰柜中冷冻10h,随后将其取出解冻后放入烧杯中再放入恒温水浴锅中经过80℃加热1h,AGS活性丧失但能够保持较好的球体形状.1.2结晶紫染料结晶紫(CV),分子式C25H30N3CI,相对分子质量为407.99,λmax=580nm,CV是碱性染料,色素离子带有正电荷,将其配成1000mg/L的溶液,作为后续试验的母液,试验中使用的其他试剂均为分析纯试剂.1.3动态吸附试验1.3.1固定床反应器动态吸附装置流程如图1所示.固定床反应器是内径为3.0cm、高分别在15,25,35cm的玻璃管,玻璃管底部为0.5cm厚的石英砂芯作为承托层,吸附剂填充高度分别为,20,30cm,通过蠕动泵进行溶液流速的调整,温度为25℃,pH值为7.进水蠕动泵填料出水承托层图1固定床反应器流程示意Fig.1Flowchartoffixedbedreactor1.3.2柱高对吸附过程的影响称取42、84和126g的灭活AGS,固定床内的填充对应的高度依次为10.0、20.0和30.0cm,蠕动泵的流速设置为8.3mL/min,溶液浓度为100mg/L,打开蠕动泵开关,每隔10.0min取1次样.1.3.3初始浓度对吸附过程的影响称取42g的灭活AGS,固定床内的填充高度为10.0cm,蠕动泵的流速设置为8.3mL/min,配制溶液浓度分别为100,200,300mg/L,打开蠕动泵开关,每隔10.0min取1次样.1.3.4流速对吸附过程的影响称取42g的灭活AGS,固定床内的填充高度为10.0cm,溶液浓度为100mg/L,蠕动泵的流速分别设置为5.6、8.3和9.7mL/min,打开蠕动泵开关,每隔10.0min取11728中国环境科学35卷次样.1.4好氧颗粒污泥再生试验吸附前,AGS用去离子水洗涤3次,去除表面可溶性离子,吸附试验在25℃下进行,在容量为100mL的三角烧瓶中加入5g的AGS吸附剂及100mg/L的CV溶液,然后放入恒温振荡培养箱中(BS-1E,金坛市医疗仪器厂),以150r/min振荡,直至达到吸附平衡.将吸附饱和后的AGS置于容量为100mL的三角烧瓶中,加入无水乙醇100mL,恒温振荡培养箱(25℃,150r/min)振荡2h后测溶液吸光度,计算染料浓度.实验中样品均重复3次(n=3),结果取平均值.解吸重复试验5次(n=5),考察AGS多次吸附再生后吸附能力的变化情况.dtotal(%)100mEq=×(1)式中:E为解吸率,%;md为解吸量,mg/L;qtotal为最大的吸附容量,mg/L.1.5固定床数据分析所有试验过程均设立3个平行样,以其平均值作为最后结果,并由误差棒表征试验潜在误差,误差棒控制误差值在±3%.穿透曲线的穿透点一般取固定床出水中吸附质的浓度超过相关限制标准或为初始浓度的某一值.该试验取Ct=0.55C0时为穿透点,对各穿透曲线的穿透时间进行分析.当出水浓度达到95%时通常被称为吸附饱和浓度[17].吸附床对应的最大的吸附容量qtotal,是在一定的流速和初始浓度下,通过对Cad(Cad=C0-Ct)在时间上的积分面积求得,公式如(2)所示:totaltotalad0d10001000tttQAQqCt====∫(2)式中:ttotal为总的运行时间;Q为体积流速;mL/min;A为穿透曲线的面积;Cad=C0-Ct.固定床的平均吸附量qeq(exp)(mg/g),即单位干重质量的吸附剂所能吸附的目标污染物的量,可以用下式(3)表示:totaleq(exp)qqm=(3)式中:m为填充床内填料的总干重,g.运行过程中,流经吸附床的目标污染物的总量(wtotal,mg)可通过(4)式来计算:0totaltotal1000CQtW=(4)吸附床对目标产物的去除率(Y%)的计算公式如下面(5)所示:totaltotal100%qYW⎛⎞=×⎜⎟⎝⎠(5)1.6动态吸附模型1.6.1Thomas模型分析Thomas模型是最常用且被广泛用于预测吸附过程的模型[18],不仅可对已有试验结果进行曲线模拟来判断拟合度,而且通过简单计算可获得吸