污泥生物炭去除废水中COD的实验研究*

2022-10-28陈伟华罗浩详卢水平

工业安全与环保 2022年10期

陈伟华罗浩详卢水平

（1．上饶师范学院化学与环境科学学院，江西上饶 334000；2．上饶师范学院经济社会发展研究中心，江西上饶 334000）

0 引言

污泥生物炭是以城市剩余污泥为原材料，在高温限氧条件下经热解制备得到的富碳物质［1］。由于污泥生物炭具有较为发达的比表面积和复杂的孔隙结构、低廉的价格、丰富的表面官能团以及较佳的吸附能力［2］，故常用于去除水中的重金属污染物，如Cd、Pb和Cr等，但污泥生物炭对水中COD的去除研究不多，故本文以工业污水处理厂的剩余污泥为原料，通过高温管式炉烧制成污泥生物炭（SBC），用以去除模拟废水中的COD，通过单因素实验探究SBC去除模拟废水中COD的最佳工艺条件，并对SBC进行相应的表征，探讨其去除机理，从而为SBC去除废水中COD的研究提供科学依据。

1 实验部分

1.1 污泥活性炭的制备

剩余污泥取自上饶云济水务有限公司，在自然条件下风干两周左右，风干后的污泥碾碎。先将碾碎的污泥放入恒温鼓风干燥箱中于55℃烘干24 h，用研钵对烘干的污泥进行研磨，研磨至污泥粉末过100目（孔径≤0.154 mm）非金属筛，后将过筛后的污泥粉末用铝箔纸包住放入高温管式炉中进行炭化热解，在炉中升温至500℃，升温速率为6℃/min，在500℃下于炉中保温1 h，冷却后取出样品，所得产品即为污泥生物炭（SBC）。

1.2 吸附实验设计

1）模拟废水的配制。实验室所用模拟废水均由一定质量的可溶性淀粉、蛋白粉和氯化钠配制而成。

2）单因素实验。用50 mL量筒量取模拟COD废水50.0 mL于250 mL锥形瓶中，固定水浴恒温振荡器转速为160 r/min，依次调整吸附时间（40～220 min）、SBC投加量（4.0～40.0 g/L）、废水pH值（3.0～9.0），考察这3个因素对SBC去除模拟废水中COD的影响，所有模拟废水中COD的含量通过重铬酸钾法测定（GB 1191489）。

3）评价指标。本实验采用去除量和去除率评价SBC对COD的去除性能。

COD去除量和去除率计算公式［3］如下：

式（1）中，Q为COD的去除量，mg/g；C0、Ce分别为COD去除前和去除后时浓度，mg/L；V为COD溶液体积，50.0 mL；m为吸附剂质量，g。式（2）中，R为COD去除率，%；C0、Ce同式（1）。

1.3 生物炭表征

分别对SBC进行表面官能团分析（FTIR）及物相组成和结构分析（XRD）。实验所得数据用Origin和Jade6软件进行作图和图象拟合分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

1）振荡时间对去除COD的影响见图1，由图1可知，随着振荡时间的增加，SBC对于废水中COD的去除量和去除率都呈现出先增加后减少的变化趋势。在振荡时间为70 min时，生物炭对COD的去除效果最佳，SBC对废水中COD去除量和去除率分别为33.17 mg/g和91.51%，在70 min后，振荡时间的延长使得COD去除量和去除率逐渐趋于平缓。这是因为在振荡初期，随着振荡时间的增加，吸附时间也在增加，污泥生物炭吸附的COD量在不断增加，从而使得去除率升高，到达一定时间后，吸附和脱附达到动态平衡，污泥生物炭对COD的吸附量达到饱和，若继续延长振荡时间，COD去除量和去除率变化不大［4］。故去除废水中COD的振荡时间宜选择70 min。

2）SBC投加量对去除COD的影响见图2，由图2可知，在设定的SBC投加量范围内，废水中的COD去除量总体呈现出随投加量增加而逐渐下降的趋势，而去除率则是先增加，后趋于平缓。在SBC投放量为0.20 g时，SBC对废水中COD的去除量为最高，达到88.04 mg/g。当SBC的投放量增加时，虽然用于吸附废水中COD的有效活性吸附点位数量也随之增加，但溶液中的COD含量有限，随着吸附剂含量的增加，导致单位质量生物炭去除COD的量减少，因此去除量降低。而去除率先增加后趋于平缓的原因是：相对于SBC投加量的增加，而水中COD的量是固定的，达到吸附饱和所需的SBC的量是一定的。因此在投加量为1.1 g时为最大，达到91.07，之后趋于缓和。在SBC投加量为0.2 g和1.1 g时相比，去除率相差0.92 %，但去除量相差15.15 mg/g。综合考虑去除量和去除率，SBC投放量宜选择0.20 g，即固液比4.0 g/L。

3）pH值对去除COD的影响见图3，由图3可知，随着pH值的逐渐增大，SBC对废水中COD吸附量和吸附率都呈现出先增加后减少的变化趋势。在pH值为7.0时，生物炭对COD的去除效果最佳，SBC对废水中COD去除量和去除率分别达到90.56 mg/g和93.05%。当废水为酸性或者碱性时，都会使SBC对废水中的COD吸附量和吸附率降低。其原因在于，废水pH值过低或者过高时，会影响有机物形态和表面电荷［5］，从而影响SBC对废水中COD的吸附性能。因此，SBC去除废水中COD的最佳pH值为7.0。

2.2 表征结果

1）表面官能团分析。由图4SBC的FTIR谱图可知，在3 650 cm-1处有一较弱的峰，3 200~3 650 cm-1主要是醇羟基或酚羟基的-OH伸缩振动峰［6］。在2 370 cm-1附近对应的为Si-H伸缩振动峰［7］。1 550 cm-1附近的伸缩振动峰表征了酮类C=O的存在［8］。波长1 456 cm-1处对应甲基的伸缩振动峰［9］。1048cm-1处有一强峰，1000~1300cm-1范围内表示C-O的伸缩振动［10］。665 cm-1和475 cm-1对应的是SiO2特征峰［11-12］。有研究表明，含氧官能团会参与吸附［13］。

2）物相组成和结构分析（见图5）。由图5可知，SBC的XRD谱图中有2值为26.60°的特征峰，在Jade 6软件中单峰检测结果为C单质，是污泥高温热解后的产物［14］。而谱图中出现了2值分别为29.50°、36.10°、39.48°、47.46°和48.60°的强特征峰，将SBC的衍射谱图在Jade 6软件中与CaCO3标准衍射谱图拟合，结果显示，SBC衍射谱图与CaCO3标准衍射谱图相吻合，这可能是因为所加脱水剂中的CaO经脱水之后变成Ca（OH）2，Ca（OH）2与空气中的CO2反应生成CaCO3。2＝22.6 °处左右的衍射峰据有关文献表明与污泥中的纤维素有关［15］。