活性污泥纳米铁铜复合材料处理玫瑰红废水试验研究

朱敏聪，余晨辉，李丹丹，赵 睿，徐 俊，冯状状，黄明强

（闽南师范大学化学化工与环境学院，福建 漳州 363100）

城市生活污水处理厂的活性污泥是污水净化处理过程中产生的固态、半固态及液态的废弃物，其数量巨大、增长迅速，已成为一种新的污染源，给城市环境带来极大威胁，解决活性污泥处置问题迫在眉睫[1-2]。活性污泥含有60%～70%的粗蛋白质、25%左右的碳水化合物，这些有机组分含有具有吸附性能的羧基、羟基、氨基、磷酰基和巯基等官能团，常用来制造吸附剂以处理印染废水，进而实现资源化利用[3-4]。然而，活性污泥吸附剂制备工艺流程复杂，制备时间长、成本高，而且其吸附效果有限，不能将污染物破坏或还原以消解毒素[5]。因此，需要开发多功能活性污泥复合材料来提高其处理能力。

纳米铁比普通零价铁具有更大的比表面积、更强的吸附性和更高的反应活性，是近些年来兴起的化学还原技术[6]。将纳米铁颗粒负载在活性炭、淀粉、膨润土等载体上制成复合材料，可有效防止纳米铁粒子在水中团聚、失活，提高反应活性，降低处理成本[7-8]。研究表明，在纳米铁复合材料制备过程中，添加少量的铜、镍等金属，形成二元金属复合材料体系，既能提高纳米铁在空气中的稳定性，又能增加纳米铁表面的活性吸附点，提高复合材料应用于印染废水处理的吸附和还原性能[9]。活性污泥絮体颗粒粒径分布范围宽，表面积大，呈现网状机构，是良好的载体，但是以城市污泥为载体负载纳米铁铜双金属的研究鲜见报道。因此，本文以漳州污水处理厂的活性污泥为载体，采用硼氢化钠液相还原法制备活性污泥纳米铁铜复合材料，并将其应用于玫瑰红模拟印染废水的处理中，为活性污泥用作吸附剂进行资源化应用提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 活性污泥纳米铁铜复合材料的制备

活性污泥取自福建省漳州市生活污水处理厂。将活性污泥在105℃的烘箱内干燥24 h，再将其破碎、研磨，过60目筛。过筛后的活性污泥按每克加2 mL 0.1 mol/L的硝酸溶液浸泡24 h，抽滤并用蒸馏水迅速洗涤至中性，置于105℃的烘箱内干燥10 h后，保存备用。

称取10 g的氯化铁和1 g氯化铜超声溶解于250 mL的90%的乙醇溶液，加入20 g过60目筛的活性污泥，磁力搅拌6 h后抽滤，用90%的乙醇溶液洗至滤液不含Fe3+和Cu2+，在105℃的烘箱内干燥24 h，冷却至室温后将其转移至烧杯中，加入100 mL去离子水，再以1～2滴/s的速率滴加100 mL 20g/L的NaBH4溶液，充分搅拌，待NaBH4溶液全部滴完后，再搅拌2 h使其反应完全。快速抽滤后，置于105℃干燥箱中干燥24 h，得到活性污泥纳米铁铜复合材料。

1.2 复合材料处理玫瑰红试验研究

取一定量的活性污泥纳米铁铜复合材料和玫瑰红模拟废水于烧杯中，放置于磁力搅拌器上以120 r/min的转速搅拌。搅拌一定时间后取样离心分离，取上清液用波长设定为554 nm的分光光度计测定溶液中玫瑰红吸光度。根据处理前后溶液吸光度的变化，计算复合材料对玫瑰红的去除率：

式中，D为去除率；A0为未搅拌时玫瑰红的吸光度；An为搅拌n分钟时玫瑰红溶液的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 搅拌时间对玫瑰红去除效果的影响

为研究搅拌时间对玫瑰红处理效果的影响，取1.0 g的活性污泥纳米铁铜复合材料和250 mL 20 mg/L的玫瑰红模拟废水于烧杯中，置于磁力搅拌器上以120 r/min的转速搅拌，每隔15 min取样离心分离，取上清液测定溶液中玫瑰红的吸光浓度，获得玫瑰红去除率随搅拌时间的变化情况，如图1所示。在前60 min，玫瑰红的去除率随着磁力搅拌时间的增加而迅速增大，在磁力搅拌60 min时，玫瑰红的去除率已达到95%。此后，随着搅拌时间的延长，降解率不再呈现明显的上升趋势，而是趋于平衡。这表明活性污泥载体能够吸附玫瑰红，而负载的纳米铁具有较强的还原能力，快速还原玫瑰红。活性污泥纳米铁铜复合材料对玫瑰红有快速的去除效果。

图1 搅拌时间对玫瑰红去除效率的影响

2.2 pH值对玫瑰红去除效果的影响

不同纺织产品和染色工艺形成的印染废水的pH值是不同的，而且在不同的pH值条件下，印染分子的结构会有所改变。为了考察不同pH值条件下活性污泥纳米铁铜复合材料对玫瑰红的处理效果，依次将250 mL 20 mg/L的玫瑰红溶液的pH值调为1.0、3.0、5.0、7.0，9.0、11.0和13.0，再加入1.0 g的活性污泥纳米铁铜复合材料，置于磁力搅拌器上以120 r/min的转速搅拌60 min后，取样离心分离，取上清液测定溶液中玫瑰红的吸光浓度，计算去除率。

从图2可以看出，随着pH的增加，玫瑰红的去除率先增后降。强酸和强碱性的条件抑制玫瑰红的去除，而中性和弱碱性的条件则有利于玫瑰红的处理。在pH值为9时，玫瑰红的去除率达到了最大值。因此，活性污泥纳米铁铜复合材料不宜在强酸和强碱环境下使用，宜在pH=5～9的条件下处理玫瑰红印染废水。

图2 不同pH值对玫瑰红去除效率的影响

2.3 复合材料用量对玫瑰红处理效果的影响

活性污泥纳米铁铜复合材料的用量是玫瑰红印染废水处理主要的参数之一。为考察复合材料用量对玫瑰红处理效果的影响，依次取0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g和1.2 g的活性污泥纳米铁铜复合材料于烧杯中，加入250 mL 20 mg/L玫瑰红模拟废水，置于磁力搅拌器上以120 r/min的转速搅拌60 min后，取样离心分离，取上清液测定溶液中玫瑰红的吸光浓度，计算玫瑰红去除率。由图3可知，在相同的磁力搅拌时间、温度等条件下，随着活性污泥纳米铁铜复合材料用量的增加，玫瑰红去除效率逐渐增大。但当活性污泥纳米铁铜用量超过1.0 g后，增加复合材料的用量，玫瑰红去除效果基本保持不变，综合考虑去除玫瑰红效率和工程的实际应用，宜用10 g/L的用量处理玫瑰红印染废水。

图3 复合材料用量对玫瑰红去除率的影响

2.4 活性污泥纳米铁铜活化再生性能研究

活性污泥纳米铁铜复合材料的活化再生性能决定了玫瑰红印染废水处理成本的高低。为了测试复合材料的活化再生性能，用去离子水清洗处理过玫瑰红的1.0 g活性污泥纳米铁铜，除去吸附在材料表面的杂质，用NaBH4处理这些复合材料，再用这些活化的活性污泥纳米铁铜继续处理250 mL 20 mg/L的玫瑰红溶液，由去除效率评价活化再生效果。如图4所示，新活化的活性污泥纳米铁铜都能有效降解玫瑰红废水。尽管随再生次数的增加，降解效率有所下降，但这种变化很缓慢，即使是第14次活化后，其对玫瑰红的去除率仍达到85%，具有较好的活化再生性能。

3 结论

本文以漳州污水处理厂的活性污泥为原料，采用硼氢化钠液相还原法制备活性污泥纳米铁铜复合材料。当活性污泥、氯化亚铁和氯化铜的质量比为20:10:1时，制得的活性污泥纳米铁铜复合材料还原能力强，在中性和弱碱性的条件下，对玫瑰红印染废水具有较好的快速去除效果。复合材料活性再生性能好，经过十余次活化后仍对玫瑰红废水具有较好的去除效率。活性污泥纳米铁铜可尝试应用于玫瑰红等印染废水处理，同时这也为活性污泥作为吸附剂进行资源化利用提供了新思路。

图4 活性污泥纳米铁铜复合材料的活化效果