CN103285825A - 一种提高重金属生物吸附剂产量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高重金属生物吸附剂产量的方法。先将剩余污泥进行好氧发酵,然后超声处理后离心分离,得到的上清液即为液态重金属生物吸附剂,将其在0~5℃下保藏备用。用有机溶剂提取法将液态重金属生物吸附剂提纯,真空冷冻干燥后得到纯化的固态重金属生物吸附剂。使用重金属生物吸附剂时,先检测污水中重金属离子质量,按质量份数量取固态重金属生物吸附剂/重金属离子=0.5/1~8/1后将重金属生物吸附剂加入污水中,调节污水pH为3.0~7.0后置于摇床上振荡,离心,取上清液测定金属离子浓度,经计算得到污水中重金属离子去除率高达80%。本发明不仅显著提高了重金属生物吸附剂的产量,实现了剩余污泥的资源化,而且重金属离子去除率高。

Description

一种提高重金属生物吸附剂产量的方法
技术领域
本发明涉及一种提高重金属生物吸附剂产量的方法。属于环境保护技术领域。
背景技术
生物吸附法是利用某些生物体本身的化学结构及成分特性来吸附溶于废水中的污染物质,然后通过固液两相分离来去除污染物质的水处理方法。由于具有原料来源丰富、成本低、处理效率高等优点,生物吸附法在含重金属废水的处理方面备受关注。细菌、真菌和藻类等对重金属都有很强的吸附能力,是目前研究较多的三类生物吸附剂。细菌、真菌等天然菌体用作生物吸附剂时,由于机械强度低、密度低、颗粒小等原因需要预先固定化、颗粒化,操作较为复杂;利用纯菌制备生物吸附剂时,需要纯菌分离、保藏、接种和扩大培养等一系列配套技术与设备,培养过程复杂且培养成本过高;藻类用作生物吸附剂时,重金属的毒性和再生过程中所用的化学试剂等因素使得活体生物产生部分死体,死细胞的自溶可能会影响治理后的水质以及吸附剂的使用寿命,且吸附后的藻类用途须严格监控。
剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体,该集合体中含有的大量有机物(包括微生物)的官能团能为吸附过程提供众多的吸附点位,因此剩余污泥不经处理或者经过高温、酸、碱、质子化等处理后可作为生物吸附剂用于含重金属废水的处理,简称为重金属生物吸附剂。该重金属生物吸附剂具有制备简单、节能价廉、去除率高、易于分离和回收重金属的优点。但现有的由剩余污泥制备重金属生物吸附剂的方法存在产量低的问题,用现有方法制备重金属生物吸附剂,剩余污泥中1gVSS所对应的重金属生物吸附剂的产量均低于38mg,原因是现有的方法没有能够充分地将污泥中吸附的有机污染物转化为具有吸附活性的天然有机高分子物质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高重金属生物吸附剂产量的方法,用本发明的方法既解决了剩余污泥处理处置的要求,又能提高重金属生物吸附剂的产量。
为了达到以上目的,本发明通过剩余污泥短时好氧发酵,使污泥中吸附的有机污染物在微生物的作用下进一步降解并部分转化为具有吸附活性的天然有机高分子物质,从而提高了重金属生物吸附剂产量。具体工艺如下:
第一步,液态重金属生物吸附剂的制备
先从采用生物处理工艺的城市污水处理厂取得剩余污泥,进行好氧发酵培养。然后进行超声工艺处理,超声后进行离心分离,离心得到的上清液即为液态重金属生物吸附剂。将其保藏在冰箱内0~5℃下备用;
上述好氧发酵培养是将pH为5~9,浓度为3~15g/L的剩余污泥放入发酵罐中进行发酵。通过曝气实现发酵罐中溶解氧浓度为0.5~6.5mg/L,发酵罐有效容积为10L,发酵温度为25~55℃,发酵时间为0.5~8h;
上述超声工艺是将发酵后污泥在频率20~53kHz、功率密度1.2~3.0kW/L下持续超声处理0.5~3min;
上述离心分离是将超声处理后的污泥在转速3000~15000r/min下离心5~30min。
第二步,固态重金属生物吸附剂的制备
采用有机溶剂提取法对液态生物吸附剂进行提纯:向液态重金属生物吸附剂中加入丙酮,丙酮的加入量(体积)是液态重金属生物吸附剂体积的1~3倍。搅拌均匀后,在0~5℃下静置8~24h后离心,离心条件为转速3000~15000r/min,离心时间5~20min。将离心得到的沉淀物用1倍体积的蒸馏水溶解完成1次提纯,重复上述提纯步骤0~3次,最后,将沉淀物真空冷冻干燥后得到纯化的目标产物固态重金属生物吸附剂。
本发明制备得到的重金属生物吸附剂的应用方法是:先检测污水中重金属离子质量,接着将重金属生物吸附剂加入污水中,重金属生物吸附剂的加入量是按质量份数量取固态重金属生物吸附剂/重金属离子=0.5/1~8/1。然后调节污水pH为3.0~7.0后置于摇床上,在振荡速度为30~180r/min下振荡5~30min后,在3000~12000r/min转速下离心5~10min,取上清液测定重金属离子浓度,经计算得到污水中重金属离子去除率超过80%。
本发明具有以下优点和效果:
1.由于本发明先对剩余污泥进行好氧发酵培养,污泥中吸附的有机污染物在微生物的作用下进一步降解并部分转化为具有吸附活性的天然有机高分子物质,同时采用优化的超声提取法和有机溶剂提取法,因此与没有经过好氧发酵培养的工艺比较,重金属生物吸附剂的产量提高了2倍左右。
2.由于本发明优化了重金属生物吸附剂的投加比例、摇床振荡速度、溶液pH等吸附条件,充分利用重金属生物吸附剂表面的吸附点位,因此该吸附剂对废水中的铜、铬等重金属具有很强的吸附能力,即本发明得到的重金属生物吸附剂吸附重金属离子的吸附量提高了,应用于含重金属废水处理时具有处理成本低、处理效果好等优点。
3.本发明实现了污泥的资源化,可广泛适用于城市污水处理厂产生的剩余污泥再利用,减轻其对环境造成的污染,具有很强的环境效益。
附图说明
图1为本发明的在不同重金属生物吸附剂加入量下得到的Cu2+和Cd2+去除效果曲线图;
图2为本发明的在不同pH条件下得到的Cu2+和Cd2+去除效果曲线图;
图3为本发明的在不同振荡速度下得到的Cu2+和Cd2+去除效果曲线图。
具体实施方式
实施例1为没有经过好氧发酵培养的对比例
第一步,液态重金属生物吸附剂的制备
从采用生物处理工艺的城市污水处理厂取得剩余污泥,将剩余污泥(6.2g/L,pH值6.86)在频率20kHz、功率密度2.7kW/L下持续超声2min,超声后在4℃、12000r/min条件下离心10min,离心得到的上清液即为液态重金属生物吸附剂。
第二步,固态重金属生物吸附剂的制备
采用有机溶剂提取法对液态生物吸附剂进行提纯,向液态生物吸附剂中加入1倍体积的丙酮进行1次提纯,均匀搅拌后,在4℃冰箱中放置24h后离心,离心沉淀冷冻干燥后得到的物质即为最终制备得到的吸附剂,该条件下吸附剂的产量为38mg生物吸附剂/g VSS。
实施例2
第一步,液态重金属生物吸附剂的制备
从采用生物处理工艺的城市污水处理厂取得剩余污泥,将剩余污泥稀释至3.0g/L后在发酵罐中进行短时好氧发酵培养,通过曝气实现发酵罐中溶解氧浓度为2.0~2.5mg/L,发酵温度为40℃,发酵时间为4h。将发酵后污泥在频率20kHz、功率密度2.7kW/L下持续超声2min,超声后在4℃、12000r/min条件下离心10min,离心得到的上清液即为液态重金属生物吸附剂。
第二步,固态重金属生物吸附剂的制备
操作步骤如实施例1中第二步所述,该条件下吸附剂的产量为43mg生物吸附剂/g VSS,产量较实施例1有显著提高。
实施例3
第一步,液态重金属生物吸附剂的制备。
从采用生物处理工艺的城市污水处理厂取得剩余污泥(6.8g/L,pH值7.04),将剩余污泥直接在发酵罐中通过曝气实现发酵罐中溶解氧浓度为2.0~2.5mg/L,发酵温度为40℃,发酵时间为4h。将发酵后污泥在频率20kHz、功率密度2.7kW/L下持续超声2min,超声后在4℃、12000r/min条件下离心10min,离心得到的上清液即为液态重金属生物吸附剂。
第二步,固态重金属生物吸附剂的制备
操作步骤如实施例1中第二步所述,该条件下吸附剂的产量为61mg生物吸附剂/g VSS,产量较实施例1、2均有显著提高。
实施例4
第一步,液态重金属生物吸附剂的制备
从采用生物处理工艺的城市污水处理厂取得剩余污泥,将剩余污泥浓缩至12.0g/L后在发酵罐中进行如实施例3相同的短时好氧发酵培养。将发酵后污泥在频率20kHz、功率密度2.7kW/L下持续超声2min,超声后在4℃、12000r/min条件下离心10min,离心得到的上清液即为液态重金属生物吸附剂。
第二步,固态重金属生物吸附剂的制备
操作步骤如实施例1中第二步所述,该条件下吸附剂的产量为60mg生物吸附剂/g VSS,产量较实施例1、2有显著提高,较实施例3变化不大。
实施例5
操作步骤除向液态重金属生物吸附剂中加入3倍体积的丙酮进行1次提纯外,其余步骤如实施例3所述。该条件下吸附剂的产量为80mg生物吸附剂/g VSS,产量较实施例1、2、3、4均有显著提高。
实施例6
用上述实施例5得到的固态重金属生物吸附剂吸附重金属离子,先检测污水中重金属离子质量,然后分别按重金属生物吸附剂质量/重金属离子质量=0.5/1、1/1、2/1、4/1、6/1、8/1量取生物吸附剂,接着将生物吸附剂加入含有Cu2+和Cd2+的污水中,调节污水pH为3.0~7.0后置于摇床上,在25℃和150r/min条件下振荡30min后,在12000r/min转速下离心10min,取上清液测定重金属离子浓度,经计算得到污水中重金属离子去除率。用被吸附的重金属质量与加入的生物吸附剂质量之比表示吸附量发现:随着生物吸附剂质量/重金属离子质量比值的增加,吸附量是逐渐减小的。
请看图1,重金属生物吸附剂与重金属离子的质量投加比例对Cu2+和Cd2+的去除具有相似的效果,最佳投加比例为2/1时污水中重金属离子去除率超过50%。该比例相应的Cu2+的吸附量为275mg Cu2+/g生物吸附剂,Cd2+的吸附量为225mg Cd2+/g生物吸附剂。
实施例7
用上述实施例5得到的固态重金属生物吸附剂吸附重金属离子,先检测污水中重金属离子质量,然后按重金属生物吸附剂质量/重金属离子质量=2/1量取重金属生物吸附剂,接着将重金属生物吸附剂加入含有Cu2+和Cd2+的污水中,调节污水pH为3.0~7.0后置于摇床上,在25℃和和不同的振荡速度下振荡30min,反应后液体在12000r/min转速下离心10min,取上清液测定金属离子浓度。振荡速度分别为40r/min、60r/min、90r/min、120r/min、150r/min、180r/min。
请看图2,振荡速度对于Cu2+和Cd2+的去除具有相似的效果,最佳振荡速度为150r/min,相应Cu2+的吸附量为285mg Cu2+/g生物吸附剂,Cd2+的吸附量为245mg Cd2+/g生物吸附剂,Cu2+和Cd2+的吸附量较实施例6有所提高,经计算得到污水中重金属离子去除率接近60%。产生以上结果的原因是该振荡速度可以加大重金属生物吸附剂与Cu2+或Cd2+的接触频率,降低传递阻力,同时避免了过于剧烈的振荡产生强剪切作用导致吸附效果变差,因此吸附量提高。
实施例8
用上述实施例5得到的固态重金属生物吸附剂吸附重金属离子,先检测污水中重金属离子质量,然后按重金属生物吸附剂质量/重金属离子质量=2/1量取重金属生物吸附剂,接着将重金属生物吸附剂加入含有Cu2+和Cd2+的污水中。用NaOH和HCl分别将含有Cu2+和Cd2+的废水的pH值分别调至3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0和7.0,置于摇床上在25℃和和150r/min条件下振荡30min,反应后液体在12000r/min转速下离心10min,取上清液测定金属离子浓度。
请看图3,pH值对Cu2+和Cd2+的去除具有相似的效果。随着pH值的增大,生物吸附剂对Cu2+和Cd2+的吸附量逐渐增大,当pH>4后,生物吸附剂对Cu2+和Cd2+的吸附量逐渐趋于稳定。pH为4时Cu2+的吸附量为400mg Cu2+/g生物吸附剂,Cd2+的吸附量为275mg Cd2+/g生物吸附剂,Cu2+和Cd2+的吸附量较实施例6、7均有显著提高,经计算得到污水中重金属离子去除率超过80%。产生以上结果的原因是由于酸性溶液中的H+会与Cu2+或Cd2+竞争重金属生物吸附剂表面的吸附点位,当污水pH值增大时,随着H+浓度的减小,H+与重金属离子的竞争吸附减少,从而使得Cu2+或Cd2+的吸附量提高。

Claims (2)

1.一种提高重金属生物吸附剂产量的方法,其特征在于:
第一步,液态重金属生物吸附剂的制备
先从采用生物处理工艺的城市污水处理厂取得剩余污泥,进行好氧发酵培养,然后进行超声工艺处理,超声后进行离心分离,离心得到的上清液即为液态重金属生物吸附剂;将其保藏在冰箱内0~5℃下备用;
上述好氧发酵培养是将pH为5~9,浓度为3~15g/L的剩余污泥放入发酵罐中进行发酵,通过曝气实现发酵罐中溶解氧浓度为0.5~6.5mg/L,发酵罐有效容积为10L,发酵温度为25~55℃,发酵时间为0.5~8h;
上述超声工艺是将发酵后污泥在频率20~53kHz、功率密度1.2~3.0kW/L下持续超声处理0.5~3min,得到超声处理后的污泥;
上述离心分离是将超声处理后的污泥在转速3000~15000r/min下离心5~20min;
第二步,固态重金属生物吸附剂的制备
采用有机溶剂提取法对液态生物吸附剂进行提纯:向液态重金属生物吸附剂中加入丙酮,丙酮的加入量是液态重金属生物吸附剂体积的1~3倍;搅拌均匀后,在0~5℃下静置8~24h后离心,离心条件为转速3000~15000r/min,离心时间5~20min,将离心得到的沉淀物用蒸馏水溶解,蒸馏水的加入量是沉淀物体积的1倍,完成1次提纯;接着,重复上述采用有机溶剂提取法对液态生物吸附剂进行提纯0~3次,最后将沉淀物真空冷冻干燥后得到纯化的目标产物固态重金属生物吸附剂。
2.权利要求1所述的方法得到重金属生物吸附剂的使用方法,其特征在于:先检测污水中重金属离子质量,接着将重金属生物吸附剂加入污水中,重金属生物吸附剂的加入量是按质量份数量取固态重金属生物吸附剂/重金属离子=0.5/1~8/1;然后调节污水pH为3.0~7.0后置于摇床上,在振荡速度为30~180r/min下振荡5~30min后,在3000~12000r/min转速下离心5~10min,取上清液测定重金属离子浓度,经计算得到污水中重金属离子去除率超过80%。
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