黃河不同泥沙組分對(duì)水中CODMn的降解性能研究

宋鵬飛　馮淑琪　李杰　趙瑞峰

摘要：為研究黃河不同泥沙組分對(duì)CODM0的降解特性，以黃河蘭州段的沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙為供試樣品，采用批量實(shí)驗(yàn)法對(duì)比了黃河泥沙降解規(guī)律、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征。結(jié)果表明，黃河懸浮態(tài)泥沙較沉積性泥沙達(dá)到吸附平衡所用時(shí)間更短、吸附速率更快、平衡吸附量更大;對(duì)比滅菌前、后黃河不同泥沙組分的吸附作用.黃河沉積性泥沙滅菌前的平衡吸附值為1. 930 mg/g，滅菌后為1.691 mg/g，黃河懸浮態(tài)泥沙滅菌前的平衡吸附值為2. 446 mg/g，滅菌后為1.761 mg/g，且滅菌前的吸附速率常數(shù)更大，說(shuō)明黃河泥沙附著的微生物促進(jìn)了CODMn的降解，但作用小于吸附作用。

關(guān)鍵詞：沉積性泥沙;懸浮態(tài)泥沙;吸附;降解;化學(xué)需氧量

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（ 2020） 04-007303

1 引言

黃河是世界上含沙量最大、平均濁度最高的河流[1]，其泥沙根據(jù)存在狀態(tài)的不同，可分為沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙[2]。黃河泥沙有巨大的比表面積，它們與排人河流水體中的有機(jī)污染物在接觸面上會(huì)發(fā)生復(fù)雜的界面效應(yīng)[3];其粗糙多孑L的表面存在著多種活性物質(zhì)，增強(qiáng)了泥沙對(duì)水體污染物的吸附降解作用[4]。因此黃河泥沙成為污染物在黃河水體中擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化的主要載體[5]，從而影響流經(jīng)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。研究黃河泥沙的吸附降解機(jī)制對(duì)黃河水環(huán)境生態(tài)評(píng)判有重要意義。

現(xiàn)有關(guān)于泥沙對(duì)污染物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化研究主要集中于沉積性泥沙，而關(guān)于懸浮態(tài)泥沙的研究還很少。沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙對(duì)有機(jī)物吸附作用的強(qiáng)弱有待于進(jìn)一步研究;另外，泥沙與污染物接觸界面除發(fā)生吸附降解作用，還有生物降解作用[6]，當(dāng)吸附與生物作用共存時(shí)，哪種作用對(duì)水體有機(jī)物的去除作用更大也有待研究。因此，本文運(yùn)用動(dòng)力學(xué)和等溫平衡實(shí)驗(yàn)方法[7]，研究了黃河泥沙對(duì)CODMn的降解性能，比較了沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙的降解能力差異，揭示了黃河泥沙在CODMn吸附降解過(guò)程中發(fā)揮的作用，為環(huán)境評(píng)估和提高黃河流域的水環(huán)境質(zhì)量提供了依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 材料

本實(shí)驗(yàn)所用黃河沉積性泥沙樣品采自夏季黃河蘭州段銀灘大橋下河床表層0～5 cm范圍[8]，黃河懸浮態(tài)泥沙為同一地點(diǎn)黃河水離心后的固體物質(zhì)，取回后過(guò)20目篩，一部分置于冰箱4℃保存?zhèn)溆?，剩余部分利用高壓蒸汽滅菌法滅菌后冷藏保存[9-11]。

實(shí)驗(yàn)用水為模擬微污染水，采用葡萄糖（分析純）配制，CODMn濃度范圍為4.0～8.4 mg/L。

2.2 測(cè)試方法

高錳酸鹽指數(shù)采用酸式滴定法測(cè)定[12]。

2.3 吸附模型

動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中采用Lagergren準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合[13-15]。熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用Lang-muir模型、Freundlich模型和D-R模型進(jìn)行擬合并探究吸附機(jī)理[16.17]。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

2.4.1 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

于6個(gè)1L的燒杯中分別加入不同初始濃度的微污染水，而后分別同時(shí)加入相同粒徑和質(zhì)量的滅菌前、后的黃河沉積性泥沙和懸浮態(tài)泥沙2.5 g/L，于溫度為25℃、轉(zhuǎn)速為200 r/min下震蕩不同時(shí)間，出水沉淀30min后以4000 r/min離心20 min，測(cè)定上清液中CODMn[18-21]。

2.4.2 吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法與吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法類似，不同的是水樣振蕩時(shí)間為60 h，終點(diǎn)取樣并恒溫靜置2 h[22]。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河不同泥沙組分滅菌后對(duì)CO DMn的吸附性能研究

研究在25℃下滅菌后的黃河泥沙于不同CODM。初始濃度下隨時(shí)間變化的吸附規(guī)律。如圖1所示，隨著CODMn初始濃度的增大，CODMn平衡吸附量也逐漸升高，在4～8.4 mg/L之間的六個(gè)梯度下達(dá)到吸附平衡時(shí)，黃河沉積性泥沙吸附后的高錳酸鹽指數(shù)分別為1. 38mg/L、1.65 mg/L.l. 88 mg/L、2.11 mg/L、2.2 mg/L、2. 38 mg/L，黃河懸浮態(tài)泥沙吸附后的高錳酸鹽指數(shù)分別為1. 09 mg/L.1.38 mg/L、1.5 mg/L.1.68 mg/L、1. 91 mg/L、2.13 mg/L。黃河沉積性泥沙約60 h達(dá)到吸附平衡，而懸浮態(tài)泥沙約24 h達(dá)到吸附平衡，相比之下，黃河懸浮態(tài)泥沙更容易達(dá)到吸附平衡。

黃河沉積性泥沙與懸浮態(tài)泥沙的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)黃河泥沙吸附CODMn的擬合效果更好，黃河沉積性泥沙的平均單位吸附量為1. 691 mg/g，懸浮態(tài)泥沙的平均單位吸附量為1. 761 mg/g，說(shuō)明黃河懸浮態(tài)泥沙對(duì)CODMn的最大吸附量大于黃河沉積性泥沙。

分別利用等溫吸附模型：Langmuir模型、Freundli-ch模型、D-R模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)如表2所示。Langmuir模型能更好的描述黃河泥沙對(duì)CODMn的吸附過(guò)程，由表2中參數(shù)K1和qe可知，黃河懸浮態(tài)泥沙的自發(fā)反應(yīng)程度和吸附能力均高于沉積性泥沙[24]。

3.2 黃河不同泥沙組分滅菌前對(duì)CODMn的吸附性能 研究

在25℃下研究滅菌前的黃河泥沙于不同CODMn初始濃度下隨時(shí)間變化的吸附規(guī)律，如圖1所示。黃河不同泥沙組分滅菌前對(duì)CODMn的吸附規(guī)律與滅菌后類似，不同的是，滅菌前黃河沉積性泥沙的吸附平衡時(shí)間減少為48h，黃河懸浮態(tài)泥沙的吸附平衡時(shí)間減少為24h，且平衡吸附量有所升高，可能是受微生物的降解作用影響。

黃河沉積性泥沙與懸浮態(tài)泥沙的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表3，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)黃河泥沙吸附CODM。的擬合效果更好。由表3可知，黃河沉積性泥沙的平均單位吸附量為1. 930mg/g，懸浮態(tài)泥沙的平均單位吸附量為2. 446mg/g，說(shuō)明黃河懸浮態(tài)泥沙對(duì)CODMn的吸附能力大于黃河沉積性泥沙。

等溫吸附模型擬合參數(shù)如表4所示，Langmuir模型能更好的描述黃河泥沙對(duì)CODMn的吸附過(guò)程。由表4可知，黃河沉積性泥沙的白發(fā)反應(yīng)程度高于懸浮態(tài)泥沙，黃河懸浮態(tài)泥沙的吸附降解能力高于沉積性泥沙。

3.3 黃河不同泥沙組分對(duì)CODMn的吸附與降解性能比較

泥沙上附著的微生物對(duì)水體中物質(zhì)循環(huán)與轉(zhuǎn)化、有機(jī)污染物的降解有很大的積極作用。對(duì)比25℃時(shí)黃河泥沙滅菌前后對(duì)CODMn的去除效果，可得出黃河泥沙的吸附作用與降解作用大小。

對(duì)比黃河泥沙不同組分滅菌前后的二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果。黃河沉積性泥沙吸附C（）DMn的平衡吸附值為1. 691 mg/g，吸附、降解CODMn的平衡吸附值為1.93mg/g，且吸附、降解作用的速率常數(shù)更大，說(shuō)明黃河沉積性泥沙附著的微生物促進(jìn)了CODM。的降解，降解率增加了16%;黃河懸浮態(tài)泥沙吸附CODMn的平衡吸附值為1. 761 mg/g，吸附、降解CODMn的平衡吸附值為2. 446 mg/g，說(shuō)明生物降解作用使CODMn去除率提高了26. 8%。黃河泥沙在吸附、降解作用下達(dá)到平衡的時(shí)間較單純吸附作用縮短1/4，說(shuō)明黃河泥沙對(duì)CODMn的降解作用也是水體自凈作用的主要方式之一，但作用小于吸附作用。

4 結(jié)論

（1）在滅菌后，黃河沉積性泥沙吸附不同初始濃度CODMn約60 h達(dá)到平衡，懸浮態(tài)泥沙約24 h達(dá)到吸附平衡;準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可更好的描述黃河泥沙吸附CODMn的過(guò)程，由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)可知，黃河懸浮態(tài)泥沙的吸附能力高于沉積性泥沙。

（2）在滅菌前，黃河沉積性泥沙吸附、降解不同初始濃度CODMn約48 h時(shí)達(dá)到平衡，黃河懸浮態(tài)泥沙約24h達(dá)到平衡;準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可更好的描述黃河泥沙吸附、降解CODMn的過(guò)程，由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)可知，黃河懸浮態(tài)泥沙對(duì)CODMn的吸附、降解能力大于黃河沉積性泥沙。

（3）對(duì)比滅菌前后黃河泥沙不同組分的吸附、降解作用與單純吸附作用，黃河沉積性泥沙與懸浮態(tài)泥沙吸附、降解CODMn的平衡吸附值均大于單純吸附作用下的平衡吸附值，說(shuō)明黃河泥沙附著的微生物促進(jìn)了CODMn的降解，黃河泥沙對(duì)CODMn的降解作用也是黃河水自凈作用的主要方式之一，但作用小于吸附作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]金雙彥，黃河中下游泥沙預(yù)報(bào)模型研究[D].南京：河海大學(xué)，2007.

[2]鄧莎，環(huán)境因素對(duì)滇池外海中心沉積物磷釋放的影響[D].昆明：昆明理工大學(xué)，201 3.

[3]鄭毅.黃土高原地區(qū)河流型水源地保護(hù)區(qū)的劃分研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006.

[4]嚴(yán)剛剛，三峽庫(kù)區(qū)重慶典型彎道段泥沙與重金屬污染物關(guān)系研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2014.

[5]楊程，三峽庫(kù)區(qū)懸浮態(tài)泥沙吸附解吸磷酸鹽影響因素研究[Dl.重慶：重慶大學(xué)，2007.

[6]鄭泉.泥沙含量對(duì)黃河蘭州段氨氮降解過(guò)程和水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響的試驗(yàn)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

[7]王興榮，蔣煜峰，王拯，等.黃河蘭州段底泥對(duì)硝基苯的吸附行為[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，201 7，37（4）：1523-1529.

[8]王穎超.黃河蘭州段懸移質(zhì)泥沙對(duì)氨氮的吸附解吸特性研究[Dl.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

[9]徐靈峰.微生物活動(dòng)對(duì)市區(qū)景觀湖泊的水質(zhì)和底泥污染釋放的影響[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[10]錢燕.基于對(duì)微生物活動(dòng)限制的富營(yíng)養(yǎng)化水體氮磷的控制研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[11]侯永俠，楊繼松，陳紅亮，等.2，4一二氯苯酚在土壤與河流底泥中降解動(dòng)力學(xué)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2011，30（3）：424-429.

[12]國(guó)家環(huán)保局本書編委會(huì)，水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

[13]黎冰，解啟來(lái)，廖天，等，扎龍濕地表層沉積物有機(jī)氯農(nóng)藥的污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（2）：347 -353.

[14]Deniz F. Potential use of shell biomass （Juglans regia L.）for dyeremoval： Relationships between kinetic pseudo-second-order mod-el parameters and biosorption efficiency[J]. Desalination&Wa-ter Treatment， 2014， 52（ 1-3）： 219～226.

[15]Munir K ，Yusuf M，Noreen Z， et al. Isotherm studies for determi-nation of removal capacity of bi-metal（ Ni and Cr） ions by Aspergillusniger[J]. Pakistam Journal of Botany， 2010， 42（1）： 593～604.

[16] Zaghouane-Boudiaf H， Boutahala M， Tiar C， et al. Treatment of2，4， 5-trichlorophenol by MgAI-SDBS organo-layered double hy-droxides： Kinetic and equilibrium studies[J]. Chemical Engineer-ing Journal，2011，173（1）： 36～41.

[17]蔣煜峰.Uwamungujean Yves，孫航，等.添加小麥秸稈生物炭對(duì)黃土吸附苯甲腈的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2016，36（5）：1506 -1513.

[18]晏彩霞，楊毅，劉敏，等.原煤及富碳沉積物對(duì)疏水性有機(jī)污染物吸附解吸研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境.2011，20（6）： 768-774.

[19] Bauer M， Blodau C.Arsenic distribution in the dissolved， colloidaland particulate size fraction of experimental solutions rich in dis-solved organic matter and ferric iron[J]. Geochimica Et Cosmo-chimica Acta， 2009， 73（3）： 529～542.

[20]郭雪雁.土壤顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和木質(zhì)素對(duì)有毒污染物的吸附特性研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，2007.

[21]金海玲，胡恭任，海洋沉積物中重金屬污染防治研究進(jìn)展[J].地球與環(huán)境.2004，32（z1）：7—13.

[22]武福平，王穎超，顏曉飛，等，黃河蘭州段懸移質(zhì)泥沙對(duì)氨氮的吸附特性[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014，8（8）：3201-3207.

[23]周琦，蔣煜峰，孫航，等.對(duì)羥基聯(lián)苯在黃河蘭州段底泥上的吸附行為[J].環(huán)境科學(xué).2016，37（9）：3453-3459.

[24]楊程.三峽庫(kù)區(qū)懸浮態(tài)泥沙吸附解吸磷酸鹽影響因素研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

基金項(xiàng)目：甘肅典型缺水地區(qū)農(nóng)村飲水處理技術(shù)及系列設(shè)備研發(fā)（編號(hào)：l8YFIFA010）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（編號(hào)：2016YFC0400705）

作者簡(jiǎn)介：宋鵬飛（1995- ）.男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲鬯幚砼c大氣污染防治。