多孔膨胀土和废纺织品协同对餐厨有机废水的吸附研究

谢伟雪，刘孝敏，王 维，刘玉英，李金辉

（1.兰州资源环境职业技术学院环境与化工学院，甘肃 兰州 730021； 2.甘肃自然能源研究所，甘肃 兰州730046； 3.六盘水师范学院化学与材料工程学院，云南 六盘水 553004）

0 引言

随着居民生活消费的提高和城市化进程的快速发展，餐厨垃圾产出量逐渐增多，在生活垃圾中约占25% ~ 55%，极易腐烂变质，散发恶臭，传播细菌和病毒。餐厨垃圾固液分离后的去油脂餐厨有机废水具有高有机污染物、高NH3-N、高浊度和强酸性的特点，排放后会对居民的身体健康和环境造成很大的影响。目前废水处理方法主要有化学法、生物法和吸附法等。一般化学或生物的方法，不仅产生高昂的经济费用，而且耗时长，不能达到要求等问题。吸附法因其操作简单方便、去除效果好，人们研究较多。传统吸附法多采用活性炭为吸附剂，存在应用成本高而受到限制[1]。因此寻求一种价廉、环保、高效的吸附材料处理去油脂餐厨有机废水非常重要。

人们的衣物多由纺织品制成，随着人们衣物更新的加快，会产生大量的废旧衣物和边角料。为了避免资源的浪费，对废纺织品进行资源化回收。多孔膨胀土是一种环保、节能、低廉且具有不燃性的新型建筑节能材料[2]，多孔膨胀土广泛应用于建筑行业，产生了大量多孔膨胀土的建筑垃圾，李金辉等[3]以泡沫混凝土为吸附剂对NH3-N 废水进行吸附研究。因此，本文以餐厨垃圾油水分离后的餐厨有机废水为研究对象，以餐厨有机废水中有机物、NH3-N 和浊度为指标，分析废纺织品、废纺织品和多孔膨胀土组合、多孔膨胀土3 种吸附材料的pH 值、扫描电镜表面特征，研究吸附材料对餐厨有机废水的吸附能力和吸附动力学特征。从而为废纺织品和多孔膨胀土资源化利用寻找一种新途径，为餐厨废水提供一种廉价环保的吸附材料，对纺织品行业、建材行业和生态环境保护都有巨大的经济和社会效益，实现以废治废，废物资源化利用。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

实验所用的餐厨有机废水来自学院食堂新鲜餐厨垃圾分离后的有机废水。废纺织品来自学院智能垃圾分类回收创新创业工作室，多孔膨胀土来自学院附近建筑场地的建筑垃圾。所用化学试剂重铬酸钾、硫酸、硫酸银、氢氧化钠、酒石酸钾钠、NH4Cl、碘化钾、硫酸亚铁铵等都为分析纯，标液与仪器配套。

主要仪器：MIN QUAN MAD-B3R 摇床振荡器、MY3000-6M 彩屏混凝试验搅拌仪器、电热鼓风干燥箱，温度控制器、pHSJ-5 型酸度计、电子天平、岛津AP225WD 分析天平（万分之一）、抽滤装置、DL-5-B离心机、Phenom Pro SEM 电镜、HACH 2100Q 浊度仪、回流装置、数控超声波清洗器等。

1.2 餐厨垃圾中有机废水的分离

将取来的新鲜半固态餐厨垃圾进行过滤，将固态物质去除后，油水再过840 μm 筛去除辣椒、花椒等残渣后，在油水中加入10%~40%的水，加热到70~85 ℃，开启搅拌，缓慢滴加磷酸使pH 值为2~3，搅拌15~30 min，加入0.5%~2%的工业用盐，再搅拌20 min 后静置分层。下层为研究对象餐厨有机废水，进行取样保存，备用。

1.3 吸附材料的选用

吸附材料选用新型价廉环保的吸附材料，即目前产生量大的生活垃圾废纺织品（waste textile）、多孔膨胀土（porous expansive soil）、废纺织品和多孔膨胀土组合3 种吸附剂，分别用WT，PES 和WT+PES表示。在超声波清洗器中对3 种吸附剂预先清洗干净后，烘干，放入干燥器中保存，备用。

1.4 吸附材料的吸附性能测定

1.4.1 吸附材料的pH 值分析

取一定量的3 种吸附材料，用去离子水稀释后摇匀，取上清液，用酸度计测定溶液的pH 值，即为吸附材料的pH 值。

1.4.2 吸附材料表面形态特征

将不同吸附材料碎粉为粉末，取出部分粉末放在载物片上装入样品后，喷吹1 min 进行粉末分散，装入Phenom Pro SEM 电镜分析仪进行观察，样品取不同位置进行观察[3]。

1.4.3 吸附材料吸附指标的测定

所用的指标为餐厨有机废水中CODCr浓度、NH3-N 浓 度 、pH值和浊度。CODCr浓度根据HJ 828—2017《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》进行测定，NH3-N 浓度根据HJ 535—200《水质NH3-N的测定纳氏试剂分光光度法》进行测定，pH 值的测定同1.4.1 的方法，浊度采用浊度仪测定。

1.4.4 吸附材料吸附能力的测定

取100 mL 餐厨有机废水与3 种吸附材料在150 mL 锥形瓶中混合，在震荡温度为室温，震荡速度为150 r/min，置于摇床振荡器中进行震荡60 min，静置15 min 后。将吸附后混合液以4 000 r/min的速度用离心机离心10 min，取上清液用1.4.3 的方法测定 CODCr浓度、NH3-N 浓度、pH 值和浊度。吸附材料的吸附能力用餐厨有机废水中CODCr去除率、NH3-N 去除率和浊度去除率表示。CODCr和NH3-N的去除率和吸附量计算如下：

式中： P 为 CODCr或 NH3-N 去除率%；qt为 CODCr或NH3-N t 时吸附质量比，mg/g；C0为 CODCr或 NH3-N初始质量浓度，mg/L；C1为吸附材料吸附后CODCr或NH3-N 质量浓度，mg/L；V 为废水体积，L；W 为吸附材料质量，g。

1.4.5 吸附材料吸附动态曲线的测定

称取10.0 g WT+PES 和 PES 这2 种吸附材料分别于350 mL 蓝盖瓶中，加入200 mL 餐厨有机废水，分别于1，5，10，15，20，30，40，60，90，120，200，300，400 min 时取样测定 CODCr和 NH3-N 的浓度，按 1.4.4 计算其相应吸附量和去除率。采用Lagergren 动力学模型研究 WT+PES 和 PES 这 2 种吸附材料的吸附动力学特征，公式如下：

式中：qe为 CODCr或 NH3-N 吸附平衡质量比，mg/g；qt为 CODCr或 NH3-N在t时刻的吸附质量比，mg/g；t 为吸附反应时间，h；k1为吸附速率常数，min-1；k2为吸附速率常数，mg/（g·min）。

2 结果与讨论

2.1 餐厨有机废水指标分析

取100 mL 餐厨有机废水采用1.4.3 的方法对其pH 值、浊度、NH3-N、CODCr等进行测定。结果见表1。

表1 餐厨有机废水指标分析

由表1 可以看出，原餐厨有机废水 pH 值为2.26，呈强酸性，是因为在进行油水分离时加酸引起的。浊度为571 UNT，呈高浊度，是因为西北地区的餐厨垃圾中含有大量的淀粉等物质的存在。NH3-N质量浓度为383.63 mg/L，呈高浓度，是因为餐厨有机废水中含有大量的蛋白质、氨基酸等物质，使得游离氨（NH3）和铵根离子（NH4+）浓度偏高。CODCr质量浓度为47 021 mg/L，呈高浓度，是因为餐厨有机废水中含有大量的动物性有机物和植物性有机物，有机物含量高，餐厨有机废水受有机物污染影响大。

2.2 吸附材料吸附性能特征

2.2.1 吸附材料pH 值分析

将备用的3 种吸附材料各取5.0 g，其中WT+PES 的质量比为 1 ∶1。在 3 种吸附材料中加入 100 mL 去离子水，采用 1.4.1 的方法进行测定 pH 值。结果见表2。

由表2 可以看出，3 种吸附材料的pH 值都处在中性至弱碱性，有利于NH3-N 的吸附和去除。这是因为pH 值对废水中NH3-N 的去除有重要的影响，一般为 6.0~9.0。当 pH 值小于 6.0 时，NH3-N 主要以NH4+和大量H+的状态存在，由于H+直径小于NH4+的直径，H+更易与吸附材料进行吸附，使NH4+的吸附作用较低。随着pH 值的升高，H+浓度逐渐减小，其与吸附材料的吸附能力变弱，NH4+的吸附能力逐渐增强。当pH 值升高到一定值时，NH4+的吸附能力达到最强。但随着pH 值继续升高大于9.0 时，溶液中OH－浓度逐渐增大，NH4+易与OH－结合形成游离氨，减弱了NH4+的吸附能力，使NH3-N 吸附能力下降，去除率降低[3]。

2.2.2 吸附材料表面形态特征

对吸附材料WT 和PES 进行表面形貌分析，得到的SEM 电镜扫描图像见图1。

图1 不同吸附材料的SEM 图像

由图1 可以看出，WT 表面光滑，有棱角。呈现出多孔特性，孔径结构比较发达，且孔结构不规则，其孔径结构较小，这些孔结构较均匀，同时分布着大量的孔道。PES 表面粗糙不平，也呈现出多孔特性。分布着大量的孔道，其孔径有大孔、中孔和小孔，大孔中相互镶嵌着中孔和小孔，孔与孔之间相互串联。结果表明，WT 和PES 表面均呈现多孔结构，分布着大量的孔道，因而具有吸附能力。

2.2.3 吸附材料的吸附能力

将3 种吸附材料各取5.0 g，加入100 mL 餐厨有机废水，采用 1.4.3 和 1.4.4 的方法进行测定CODCr和NH3-N 和浊度的去除率，对3 种吸附材料的吸附能力进行分析，结果见图2。

图2 吸附材料的吸附能力

由图2（a）和（b）可以看出，3 种吸附材料对餐厨有机废水中CODCr，NH3-N 和浊度都有较好的吸附作用。WT 对CODCr去除率和吸附质量比分别为48.2%和452.46 mg/g，NH3-N 去除率和吸附质量比分别为70.2%和5.34 mg/g，浊度去除率为71.7%。WT + PES 对CODCr去除率和吸附质量比分别为58.5%和550.04 mg/g，NH3-N 去除率和吸附量分别为73.4%和5.68 mg/g，浊度去除率为71.8%。PES 对CODCr去除率和吸附量分别为62.2%和582.32 mg/g，NH3-N 去除率和吸附质量比分别为79.5%和6.14 mg/g，浊度去除率为68.9%。对3 种吸附材料进行对比，其中WT 和WT+PES 对浊度的吸附相差不大，WT+PES 对 CODCr和 NH3-N 的吸附优于 WT。PES 对浊度的吸附相对较小，对CODCr和NH3-N 的吸附效果最好，CODCr去除率达到62.2%，吸附量达582.3 mg/g。NH3-N 去除率达到79.5%，吸附量达6.14 mg/g。PES 表面分布着大量的孔道，有发达的大孔、中孔和小孔，增强了其对CODCr和NH3-N 的吸附作用。

2.2.4 吸附材料吸附动力学特征

（1）吸附材料吸附动态曲线

在温度为室温条件下，依据1.4.5 的方法对餐厨有机废水进行吸附，得到WT+PES 和PES 这2 种吸附材料的吸附动态曲线见图3。

图3 吸附材料对CODCr 和NH3-N的吸附量和去除率曲线

由图3 可以看出，WT+PES 和 WT 这 2 种吸附材料随着吸附时间增大，对废水中CODCr和NH3-N吸附量和去除率不断增加，且表现出了相近的吸附动力学行为。CODCr在1~120 min 内，吸附量和去除率都随着时间增加迅速增大；120~300 min 内，吸附量和去除率随时间增加缓慢增大；300 min 后，吸附趋于平缓，吸附量和去除率基本不再增大达到平衡。WT+PES 对CODCr的平衡吸附质量比和去除率分别为 567.22 mg/g 和 60.32%，PES 对 CODCr的平衡吸附质量比和去除率分别为590.12 mg/g 和62.75%。NH3-N 在1~200 min 内，吸附量和去除率都随着时间增加迅速增大；200~300min 内，吸附量和去除率随时间增加缓慢增大；300 min 后，吸附趋于平缓，吸附量和去除率基本不再增大达到平衡。WT+PES 对NH3-N 的平衡吸附质量比和去除率分别为6.17 mg/g和79.81%，PES 对NH3-N 的平衡吸附质量比和去除率分别为6.22 mg/g 和80.47%。结果表明，2 种吸附材料对餐厨有机废水具有很好的吸附效果。

（2）吸附材料吸附动力学拟合

采用Lagergren 准一级动力学模型、准二级动力学模型对WT+PES 和PES 这2 种吸附材料吸附餐厨有机废水过程进行拟合，拟合动力学相关参数见表3。

表3 吸附材料吸附餐厨有机废水动力学模型相关参数

由表3 可知，Lagergren 准一级动力学模型与准二级动力学模型相比，拟合相对较差，准二级动力学模型能很好地描述WT+PES 和PES 这2 种吸附材料对餐厨有机废水的吸附过程。WT+PES 和PES 这2 种吸附材料对CODCr吸附的相关性系数分别是0.997 9 和0.998 8，对 NH3-N 吸附的相关性系数分别是0.998 8 和0.998 9，其平衡吸附量更接近实际吸附量。说明WT+PES 和PES 这2 种吸附材料对餐厨有机废水中CODCr和NH3-N 的吸附以化学吸附为主。由准二级动力学方程速率常数k2可知，PES对餐厨有机废水中CODCr和NH3-N 的吸附速率稍高于WT+PES，说明PES 吸附材料吸附餐厨有机废水要稍优于WT+PES 吸附材料。

3 结论

（1）WT，WT+PES，PES 这 3 种吸附材料的 pH值为中性至弱碱性范围，有利于有机污染物和NH3-N的吸附和去除。吸附材料表面呈现出多孔特性，分布着大量的孔道，孔径结构比较发达，具有良好的吸附能力。

（2）WT 和 WT+PES 对浊度有较好的吸附，去除率分别为 71.7%和 71.8%，WT + PES 对 CODCr和NH3-N 的吸附优于WT。PES 对浊度的吸附相对较小，去除率为 68.9%，对 CODCr和 NH3-N 的吸附效果最好，CODCr去除率达到62.2%，吸附质量比达到582.3 mg/g。NH3-N 去除率达到79.5%，吸附质量比达到6.14 mg/g。

（3）WT+PES 和 PES 这 2 种吸附材料随着吸附时间增大，对废水中CODCr和NH3-N 吸附量和去除率不断增加，且表现出了相近的吸附动力学行为。300 min 后基本达到平衡，WT+PES 对 CODCr平衡吸附质量比和去除率分别为567.22 mg/g 和60.32%，对NH3-N 平衡吸附质量比和去除率分别为6.17 mg/g 和79.81%；PES 对CODCr平衡吸附质量比和去除率分别为590.12 mg/g 和62.75%，对NH3-N 平衡吸附质量比和去除率分别为6.22 mg/g 和80.47%。

（4）Lagergren 准二级动力学模型能很好地描述WT+PES 和PES 这2 种吸附材料对餐厨有机废水的吸附过程。WT+PES 和PES 这2 种吸附材料对餐厨有机废水中CODCr和NH3-N 的吸附以化学吸附为主，PES 吸附材料吸附餐厨有机废水要稍优于WT+PES 吸附材料。

（5）废纺织品和多孔膨胀土可作为一种廉价环保的吸附材料，用于餐厨有机废水的吸附处理中，从而实现以废治废，废物资源化利用。