黄河不同泥沙组分对水中CODMn的降解性能研究

宋鹏飞　冯淑琪　李杰　赵瑞峰

摘要：為研究黄河不同泥沙组分对CODM0的降解特性，以黄河兰州段的沉积性泥沙和悬浮态泥沙为供试样品，采用批量实验法对比了黄河泥沙降解规律、动力学和热力学特征。结果表明，黄河悬浮态泥沙较沉积性泥沙达到吸附平衡所用时间更短、吸附速率更快、平衡吸附量更大;对比灭菌前、后黄河不同泥沙组分的吸附作用.黄河沉积性泥沙灭菌前的平衡吸附值为1. 930 mg/g，灭菌后为1.691 mg/g，黄河悬浮态泥沙灭菌前的平衡吸附值为2. 446 mg/g，灭菌后为1.761 mg/g，且灭菌前的吸附速率常数更大，说明黄河泥沙附着的微生物促进了CODMn的降解，但作用小于吸附作用。

关键词：沉积性泥沙;悬浮态泥沙;吸附;降解;化学需氧量

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（ 2020） 04-007303

1 引言

黄河是世界上含沙量最大、平均浊度最高的河流[1]，其泥沙根据存在状态的不同，可分为沉积性泥沙和悬浮态泥沙[2]。黄河泥沙有巨大的比表面积，它们与排人河流水体中的有机污染物在接触面上会发生复杂的界面效应[3];其粗糙多孑L的表面存在着多种活性物质，增强了泥沙对水体污染物的吸附降解作用[4]。因此黄河泥沙成为污染物在黄河水体中扩散、迁移和转化的主要载体[5]，从而影响流经区域的生态环境。研究黄河泥沙的吸附降解机制对黄河水环境生态评判有重要意义。

现有关于泥沙对污染物质的迁移、转化研究主要集中于沉积性泥沙，而关于悬浮态泥沙的研究还很少。沉积性泥沙和悬浮态泥沙对有机物吸附作用的强弱有待于进一步研究;另外，泥沙与污染物接触界面除发生吸附降解作用，还有生物降解作用[6]，当吸附与生物作用共存时，哪种作用对水体有机物的去除作用更大也有待研究。因此，本文运用动力学和等温平衡实验方法[7]，研究了黄河泥沙对CODMn的降解性能，比较了沉积性泥沙和悬浮态泥沙的降解能力差异，揭示了黄河泥沙在CODMn吸附降解过程中发挥的作用，为环境评估和提高黄河流域的水环境质量提供了依据。

2 材料与方法

2.1 材料

本实验所用黄河沉积性泥沙样品采自夏季黄河兰州段银滩大桥下河床表层0～5 cm范围[8]，黄河悬浮态泥沙为同一地点黄河水离心后的固体物质，取回后过20目筛，一部分置于冰箱4℃保存备用，剩余部分利用高压蒸汽灭菌法灭菌后冷藏保存[9-11]。

实验用水为模拟微污染水，采用葡萄糖（分析纯）配制，CODMn浓度范围为4.0～8.4 mg/L。

2.2 测试方法

高锰酸盐指数采用酸式滴定法测定[12]。

2.3 吸附模型

动力学实验中采用Lagergren准一级和准二级吸附动力学模型进行拟合[13-15]。热力学实验采用Lang-muir模型、Freundlich模型和D-R模型进行拟合并探究吸附机理[16.17]。

2.4 实验方法

2.4.1 吸附动力学实验方法

于6个1L的烧杯中分别加入不同初始浓度的微污染水，而后分别同时加入相同粒径和质量的灭菌前、后的黄河沉积性泥沙和悬浮态泥沙2.5 g/L，于温度为25℃、转速为200 r/min下震荡不同时间，出水沉淀30min后以4000 r/min离心20 min，测定上清液中CODMn[18-21]。

2.4.2 吸附热力学实验方法

实验方法与吸附动力学实验方法类似，不同的是水样振荡时间为60 h，终点取样并恒温静置2 h[22]。

3 结果与分析

3.1 黄河不同泥沙组分灭菌后对CO DMn的吸附性能研究

研究在25℃下灭菌后的黄河泥沙于不同CODM。初始浓度下随时间变化的吸附规律。如图1所示，随着CODMn初始浓度的增大，CODMn平衡吸附量也逐渐升高，在4～8.4 mg/L之间的六个梯度下达到吸附平衡时，黄河沉积性泥沙吸附后的高锰酸盐指数分别为1. 38mg/L、1.65 mg/L.l. 88 mg/L、2.11 mg/L、2.2 mg/L、2. 38 mg/L，黄河悬浮态泥沙吸附后的高锰酸盐指数分别为1. 09 mg/L.1.38 mg/L、1.5 mg/L.1.68 mg/L、1. 91 mg/L、2.13 mg/L。黄河沉积性泥沙约60 h达到吸附平衡，而悬浮态泥沙约24 h达到吸附平衡，相比之下，黄河悬浮态泥沙更容易达到吸附平衡。

黄河沉积性泥沙与悬浮态泥沙的吸附动力学参数结果见表1。由表1可知，准二级动力学方程对黄河泥沙吸附CODMn的拟合效果更好，黄河沉积性泥沙的平均单位吸附量为1. 691 mg/g，悬浮态泥沙的平均单位吸附量为1. 761 mg/g，说明黄河悬浮态泥沙对CODMn的最大吸附量大于黄河沉积性泥沙。

分别利用等温吸附模型：Langmuir模型、Freundli-ch模型、D-R模型对实验结果进行拟合，拟合参数如表2所示。Langmuir模型能更好的描述黄河泥沙对CODMn的吸附过程，由表2中参数K1和qe可知，黄河悬浮态泥沙的自发反应程度和吸附能力均高于沉积性泥沙[24]。

3.2 黄河不同泥沙组分灭菌前对CODMn的吸附性能 研究

在25℃下研究灭菌前的黄河泥沙于不同CODMn初始浓度下随时间变化的吸附规律，如图1所示。黄河不同泥沙组分灭菌前对CODMn的吸附规律与灭菌后类似，不同的是，灭菌前黄河沉积性泥沙的吸附平衡时间减少为48h，黄河悬浮态泥沙的吸附平衡时间减少为24h，且平衡吸附量有所升高，可能是受微生物的降解作用影响。

黄河沉积性泥沙与悬浮态泥沙的吸附动力学参数结果如表3，准二级动力学方程对黄河泥沙吸附CODM。的拟合效果更好。由表3可知，黄河沉积性泥沙的平均单位吸附量为1. 930mg/g，悬浮态泥沙的平均单位吸附量为2. 446mg/g，说明黄河悬浮态泥沙对CODMn的吸附能力大于黄河沉积性泥沙。

等温吸附模型拟合参数如表4所示，Langmuir模型能更好的描述黄河泥沙对CODMn的吸附过程。由表4可知，黄河沉积性泥沙的白发反应程度高于悬浮态泥沙，黄河悬浮态泥沙的吸附降解能力高于沉积性泥沙。

3.3 黄河不同泥沙组分对CODMn的吸附与降解性能比较

泥沙上附着的微生物对水体中物质循环与转化、有机污染物的降解有很大的积极作用。对比25℃时黄河泥沙灭菌前后对CODMn的去除效果，可得出黄河泥沙的吸附作用与降解作用大小。

对比黄河泥沙不同组分灭菌前后的二级动力学拟合结果。黄河沉积性泥沙吸附C（）DMn的平衡吸附值为1. 691 mg/g，吸附、降解CODMn的平衡吸附值为1.93mg/g，且吸附、降解作用的速率常数更大，说明黄河沉积性泥沙附着的微生物促进了CODM。的降解，降解率增加了16%;黄河悬浮态泥沙吸附CODMn的平衡吸附值为1. 761 mg/g，吸附、降解CODMn的平衡吸附值为2. 446 mg/g，说明生物降解作用使CODMn去除率提高了26. 8%。黄河泥沙在吸附、降解作用下达到平衡的时间较单纯吸附作用缩短1/4，说明黄河泥沙对CODMn的降解作用也是水体自净作用的主要方式之一，但作用小于吸附作用。

4 结论

（1）在灭菌后，黄河沉积性泥沙吸附不同初始浓度CODMn约60 h达到平衡，悬浮态泥沙约24 h达到吸附平衡;准二级动力学方程可更好的描述黄河泥沙吸附CODMn的过程，由准二级动力学参数可知，黄河悬浮态泥沙的吸附能力高于沉积性泥沙。

（2）在灭菌前，黄河沉积性泥沙吸附、降解不同初始浓度CODMn约48 h时达到平衡，黄河悬浮态泥沙约24h达到平衡;准二级动力学方程可更好的描述黄河泥沙吸附、降解CODMn的过程，由准二级动力学参数可知，黄河悬浮态泥沙对CODMn的吸附、降解能力大于黄河沉积性泥沙。

（3）对比灭菌前后黄河泥沙不同组分的吸附、降解作用与单纯吸附作用，黄河沉积性泥沙与悬浮态泥沙吸附、降解CODMn的平衡吸附值均大于单纯吸附作用下的平衡吸附值，说明黄河泥沙附着的微生物促进了CODMn的降解，黄河泥沙对CODMn的降解作用也是黄河水自净作用的主要方式之一，但作用小于吸附作用。

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基金项目：甘肃典型缺水地区农村饮水处理技术及系列设备研发（编号：l8YFIFA010）;国家重点研发项目（编号：2016YFC0400705）

作者简介：宋鹏飞（1995- ）.男，硕士研究生，主要研究方向为污水处理与大气污染防治。