礦山廢水含有重金屬離子和各種有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物，是導(dǎo)致礦山環(huán)境污染的主要原因之一。含銅礦山廢水中的銅具有不可降解性和能在生物體內(nèi)逐級(jí)富集的特性，如果處理不當(dāng)會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成極大的損害。吸附法是一種高效、經(jīng)濟(jì)的含銅礦山廢水處理方法，尋求來(lái)源廣泛、性能優(yōu)異、成本低廉的吸附劑代替商品活性炭成為含銅礦山廢水處理研究的熱點(diǎn)之一。
活性污泥是城市污水處理廠的主要副產(chǎn)物，含有一定量的碳質(zhì)有機(jī)物，通過(guò)高溫?zé)峤鈱⑵滢D(zhuǎn)化為污泥活性炭吸附劑的技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了粉末狀污泥活性炭固定床序批式吸附水中Cu2+的小試研究，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的污泥活性炭吸附工藝提供了理論基礎(chǔ)。Wang等采用微波熱解污泥得到的活性炭吸附水中的Cu2+，結(jié)果表明吸附過(guò)程能夠用二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程描述，吸附等溫?cái)?shù)據(jù)符合Langmuir模型。Rozada等的研究表明，廢水pH對(duì)干污泥熱解產(chǎn)物吸附水中Cu2+性能的影響十分顯著，在廢水pH為4的最佳條件下吸附量達(dá)30.7 mg/g。
本工作以城市污水處理廠活性污泥為原料，通過(guò)高溫?zé)峤庵苽淞祟w粒狀污泥活性炭吸附劑。采用自制的流化床吸附裝置研究了該吸附劑對(duì)含銅礦山廢水的吸附處理效果。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 材料、試劑和儀器
實(shí)驗(yàn)廢水取自河南省某礦山，初始廢水pH為4，Cu2+質(zhì)量濃度為107 mg/L。實(shí)驗(yàn)用污泥為某城市污水 處理廠脫水車(chē)間壓濾后的脫水污泥，含水率為82%。所用試劑均為分析純。
Vario Micro cube型元素分析儀：德國(guó)Elementar公司；JW-BK122W型比表面積及孔徑分析儀：北京精微高博公司；S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡：日本Hitachi公司；PHS-3C型精密pH計(jì)：深圳市同奧科技有限公司；DHG-9140 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：蘇州江東精密儀器有限公司；成型造粒機(jī)：自制。
1.2 吸附劑的制備
先將原料污泥制成直徑2~5 mm的球狀顆粒，自然干燥24 h后置于管式電阻爐中，在氮?dú)鈿夥障聼峤馓蓟�，反�?yīng)溫度控制在（700±10）℃，保溫時(shí)間1 h。反應(yīng)完成后將得到的顆粒狀污泥活性炭自然冷卻至室溫，用去離子水沖洗3次，于105 ℃下干燥24 h。選取粒徑為3 mm左右的顆粒狀污泥活性炭作為吸附劑，顆粒狀污泥活性炭吸附劑的元素組成和物化性質(zhì)見(jiàn)表1。
1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法
吸附實(shí)驗(yàn)在自制的流化床裝置中進(jìn)行，裝置流程示意見(jiàn)圖1。流化床：有機(jī)玻璃制成，外徑80mm、有效高度200 mm；廢水槽：有效容積2 L。
1.4 分析方法
采用元素分析儀測(cè)定吸附劑中的元素組成；采用比表面積及孔徑分析儀測(cè)定吸附劑的BET比表面積；采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)定吸附劑的表面物理性質(zhì)；采用pH計(jì)測(cè)定廢水pH。
按照GB/T 7475—1987《水質(zhì)銅、鋅、鉛、鎘的測(cè)定原子吸收分光光度法》測(cè)定廢水中Cu2+的質(zhì)量濃度。
按式（1）計(jì)算廢水中Cu2+的去除率（η，%）。
式中，ρ0和ρt分別為初始和t時(shí)刻廢水中Cu2+的質(zhì)量濃度，mg/L。
2 結(jié)果與討論
2.1 吸附劑的表征
顆粒狀污泥活性炭的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，所制備的吸附劑具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。
2.2 吸附時(shí)間對(duì)Cu2+去除率的影響
在初始廢水pH為4、吸附劑加入量為10 g/L、廢水循環(huán)流量為3.6 L/min的條件下，吸附時(shí)間對(duì)Cu2+去除率的影響見(jiàn)圖3。
由圖3可見(jiàn)：吸附時(shí)間少于120 min時(shí)，Cu2+去除率隨吸附時(shí)間延長(zhǎng)而迅速增大，此階段Cu2+正由溶液擴(kuò)散到吸附劑的表面，擴(kuò)散阻力較小，吸附速率較高；吸附時(shí)間達(dá)120 min時(shí)，吸附基本達(dá)到平衡，Cu2+去除率為67.0%；吸附時(shí)間超過(guò)120 min后，隨著Cu2+向吸附劑內(nèi)部空隙的擴(kuò)散，擴(kuò)散阻力逐漸增大，Cu2+去除率略有下降。故本實(shí)驗(yàn)適宜的吸附時(shí)間為120 min。
2.3 初始廢水pH對(duì)Cu2+去除率的影響
廢水中銅在不同pH條件下會(huì)以Cu2+、Cu（OH）+和Cu（OH）2 3種不同形式存在，研究表明，中性至堿性條件下，以Cu（OH）2形式存在時(shí)溶液呈膠體狀態(tài)，不易被吸附去除，且不利于固液分離及吸附劑的循環(huán)使用。
在吸附劑加入量為10 g/ L、廢水循環(huán)流量為3.6 L/min、吸附時(shí)間為120 min的條件下，初始廢水pH對(duì)Cu2+去除率的影響見(jiàn)圖4。
由圖4可見(jiàn)：初始廢水 pH小于5 時(shí)，Cu2+去除率較低；初始廢水pH為6時(shí)，Cu2+去除率達(dá)到85.2%；繼續(xù)升高初始廢水pH，Cu2+去除率增加不明顯。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與梁霞等采用粉末狀污泥活性炭固定床序批式吸附Cu2+的結(jié)論一致。這是因?yàn)�，初始廢水pH影響污泥活性炭表面金屬吸附點(diǎn)位和金屬離子的化學(xué)狀態(tài)。在較低的pH條件下，污泥活性炭表面的活性基團(tuán)會(huì)被H3O+占據(jù)，從而阻礙其對(duì)Cu2+的吸附。隨初始廢水pH升高，污泥活性炭表面官能團(tuán)被質(zhì)子化，表面電勢(shì)密度降低，Cu2+與污泥活性炭表面的靜電斥力減少，而污泥活性炭上負(fù)電勢(shì)點(diǎn)增多，因而有利于Cu2+的吸附。故本實(shí)驗(yàn)適宜的初始廢水pH為6。
2.4 吸附劑加入量對(duì)Cu2+去除率的影響
在初始廢水pH為6、廢水循環(huán)流量為3.6 L/min、吸附時(shí)間為120 min的條件下，吸附劑加入量對(duì)Cu2+去除率的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：隨著吸附劑加入量的增加，Cu2+去除率逐漸升高；當(dāng)吸附劑加入量大于15 g/L后，Cu2+去除率升高的趨勢(shì)趨于平緩，保持在98.0%左右。這是因?yàn)槲絼┘尤肓吭黾涌商峁└嗟奈交钚渣c(diǎn)位，吸附的Cu2+的絕對(duì)量同時(shí)增加，達(dá)到吸附平衡時(shí)的平衡濃度降低，因而Cu2+去除率升高。故本實(shí)驗(yàn)適宜的吸附劑加入量為15 g/L。
2.5 廢水循環(huán)流量對(duì)Cu2+去除率的影響
在初始廢水pH為6、吸附劑加入量為15 g/L、吸附時(shí)間為120 min的條件下，廢水循環(huán)流量對(duì)Cu2+去除率的影響見(jiàn)表2。
由表2可見(jiàn)：廢水循環(huán)流量為6.0 L/min時(shí)，Cu2+去除率最高，為98.2%，且廢水循環(huán)流量對(duì)吸附量和Cu2+去除率的影響均不大。
2.6 小結(jié)
在初始廢水pH為6、吸附劑加入量為15 g/L、廢水循環(huán)流量為6.0 L/min、吸附時(shí)間為120 min的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，廢水Cu2+去除率為98.2%。具體參見(jiàn)http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
以活性污泥為原料，高溫?zé)峤庵苽淞祟w粒狀污泥活性炭吸附劑。在自制的流化床吸附裝置上研究了該吸附劑對(duì)含銅礦山廢水的吸附處理效果。吸附劑處理廢水的適宜的實(shí)驗(yàn)條件為：初始廢水pH 6、吸附劑加入量15 g/ L、廢水循環(huán)流量6.0 L/min、吸附時(shí)間120 min；在此最佳實(shí)驗(yàn)條件下，廢水中Cu2+去除率達(dá)98.2%。
