謝偉雪，劉孝敏，王 維，劉玉英，李金輝

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學院環(huán)境與化工學院，甘肅 蘭州 730021； 2.甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州730046； 3.六盤水師范學院化學與材料工程學院，云南 六盤水 553004）

0 引言

隨著居民生活消費的提高和城市化進程的快速發(fā)展，餐廚垃圾產(chǎn)出量逐漸增多，在生活垃圾中約占25% ~ 55%，極易腐爛變質(zhì)，散發(fā)惡臭，傳播細菌和病毒。餐廚垃圾固液分離后的去油脂餐廚有機廢水具有高有機污染物、高NH3-N、高濁度和強酸性的特點，排放后會對居民的身體健康和環(huán)境造成很大的影響。目前廢水處理方法主要有化學法、生物法和吸附法等。一般化學或生物的方法，不僅產(chǎn)生高昂的經(jīng)濟費用，而且耗時長，不能達到要求等問題。吸附法因其操作簡單方便、去除效果好，人們研究較多。傳統(tǒng)吸附法多采用活性炭為吸附劑，存在應(yīng)用成本高而受到限制[1]。因此尋求一種價廉、環(huán)保、高效的吸附材料處理去油脂餐廚有機廢水非常重要。

人們的衣物多由紡織品制成，隨著人們衣物更新的加快，會產(chǎn)生大量的廢舊衣物和邊角料。為了避免資源的浪費，對廢紡織品進行資源化回收。多孔膨脹土是一種環(huán)保、節(jié)能、低廉且具有不燃性的新型建筑節(jié)能材料[2]，多孔膨脹土廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，產(chǎn)生了大量多孔膨脹土的建筑垃圾，李金輝等[3]以泡沫混凝土為吸附劑對NH3-N 廢水進行吸附研究。因此，本文以餐廚垃圾油水分離后的餐廚有機廢水為研究對象，以餐廚有機廢水中有機物、NH3-N 和濁度為指標，分析廢紡織品、廢紡織品和多孔膨脹土組合、多孔膨脹土3 種吸附材料的pH 值、掃描電鏡表面特征，研究吸附材料對餐廚有機廢水的吸附能力和吸附動力學特征。從而為廢紡織品和多孔膨脹土資源化利用尋找一種新途徑，為餐廚廢水提供一種廉價環(huán)保的吸附材料，對紡織品行業(yè)、建材行業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護都有巨大的經(jīng)濟和社會效益，實現(xiàn)以廢治廢，廢物資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

實驗所用的餐廚有機廢水來自學院食堂新鮮餐廚垃圾分離后的有機廢水。廢紡織品來自學院智能垃圾分類回收創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作室，多孔膨脹土來自學院附近建筑場地的建筑垃圾。所用化學試劑重鉻酸鉀、硫酸、硫酸銀、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、NH4Cl、碘化鉀、硫酸亞鐵銨等都為分析純，標液與儀器配套。

主要儀器：MIN QUAN MAD-B3R 搖床振蕩器、MY3000-6M 彩屏混凝試驗攪拌儀器、電熱鼓風干燥箱，溫度控制器、pHSJ-5 型酸度計、電子天平、島津AP225WD 分析天平（萬分之一）、抽濾裝置、DL-5-B離心機、Phenom Pro SEM 電鏡、HACH 2100Q 濁度儀、回流裝置、數(shù)控超聲波清洗器等。

1.2 餐廚垃圾中有機廢水的分離

將取來的新鮮半固態(tài)餐廚垃圾進行過濾，將固態(tài)物質(zhì)去除后，油水再過840 μm 篩去除辣椒、花椒等殘渣后，在油水中加入10%~40%的水，加熱到70~85 ℃，開啟攪拌，緩慢滴加磷酸使pH 值為2~3，攪拌15~30 min，加入0.5%~2%的工業(yè)用鹽，再攪拌20 min 后靜置分層。下層為研究對象餐廚有機廢水，進行取樣保存，備用。

1.3 吸附材料的選用

吸附材料選用新型價廉環(huán)保的吸附材料，即目前產(chǎn)生量大的生活垃圾廢紡織品（waste textile）、多孔膨脹土（porous expansive soil）、廢紡織品和多孔膨脹土組合3 種吸附劑，分別用WT，PES 和WT+PES表示。在超聲波清洗器中對3 種吸附劑預先清洗干凈后，烘干，放入干燥器中保存，備用。

1.4 吸附材料的吸附性能測定

1.4.1 吸附材料的pH 值分析

取一定量的3 種吸附材料，用去離子水稀釋后搖勻，取上清液，用酸度計測定溶液的pH 值，即為吸附材料的pH 值。

1.4.2 吸附材料表面形態(tài)特征

將不同吸附材料碎粉為粉末，取出部分粉末放在載物片上裝入樣品后，噴吹1 min 進行粉末分散，裝入Phenom Pro SEM 電鏡分析儀進行觀察，樣品取不同位置進行觀察[3]。

1.4.3 吸附材料吸附指標的測定

所用的指標為餐廚有機廢水中CODCr濃度、NH3-N 濃 度 、pH值和濁度。CODCr濃度根據(jù)HJ 828—2017《水質(zhì)化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》進行測定，NH3-N 濃度根據(jù)HJ 535—200《水質(zhì)NH3-N的測定納氏試劑分光光度法》進行測定，pH 值的測定同1.4.1 的方法，濁度采用濁度儀測定。

1.4.4 吸附材料吸附能力的測定

取100 mL 餐廚有機廢水與3 種吸附材料在150 mL 錐形瓶中混合，在震蕩溫度為室溫，震蕩速度為150 r/min，置于搖床振蕩器中進行震蕩60 min，靜置15 min 后。將吸附后混合液以4 000 r/min的速度用離心機離心10 min，取上清液用1.4.3 的方法測定 CODCr濃度、NH3-N 濃度、pH 值和濁度。吸附材料的吸附能力用餐廚有機廢水中CODCr去除率、NH3-N 去除率和濁度去除率表示。CODCr和NH3-N的去除率和吸附量計算如下：

式中： P 為 CODCr或 NH3-N 去除率%；qt為 CODCr或NH3-N t 時吸附質(zhì)量比，mg/g；C0為 CODCr或 NH3-N初始質(zhì)量濃度，mg/L；C1為吸附材料吸附后CODCr或NH3-N 質(zhì)量濃度，mg/L；V 為廢水體積，L；W 為吸附材料質(zhì)量，g。

1.4.5 吸附材料吸附動態(tài)曲線的測定

稱取10.0 g WT+PES 和 PES 這2 種吸附材料分別于350 mL 藍蓋瓶中，加入200 mL 餐廚有機廢水，分別于1，5，10，15，20，30，40，60，90，120，200，300，400 min 時取樣測定 CODCr和 NH3-N 的濃度，按 1.4.4 計算其相應(yīng)吸附量和去除率。采用Lagergren 動力學模型研究 WT+PES 和 PES 這 2 種吸附材料的吸附動力學特征，公式如下：

式中：qe為 CODCr或 NH3-N 吸附平衡質(zhì)量比，mg/g；qt為 CODCr或 NH3-N在t時刻的吸附質(zhì)量比，mg/g；t 為吸附反應(yīng)時間，h；k1為吸附速率常數(shù)，min-1；k2為吸附速率常數(shù)，mg/（g·min）。

2 結(jié)果與討論

2.1 餐廚有機廢水指標分析

取100 mL 餐廚有機廢水采用1.4.3 的方法對其pH 值、濁度、NH3-N、CODCr等進行測定。結(jié)果見表1。

表1 餐廚有機廢水指標分析

由表1 可以看出，原餐廚有機廢水 pH 值為2.26，呈強酸性，是因為在進行油水分離時加酸引起的。濁度為571 UNT，呈高濁度，是因為西北地區(qū)的餐廚垃圾中含有大量的淀粉等物質(zhì)的存在。NH3-N質(zhì)量濃度為383.63 mg/L，呈高濃度，是因為餐廚有機廢水中含有大量的蛋白質(zhì)、氨基酸等物質(zhì)，使得游離氨（NH3）和銨根離子（NH4+）濃度偏高。CODCr質(zhì)量濃度為47 021 mg/L，呈高濃度，是因為餐廚有機廢水中含有大量的動物性有機物和植物性有機物，有機物含量高，餐廚有機廢水受有機物污染影響大。

2.2 吸附材料吸附性能特征

2.2.1 吸附材料pH 值分析

將備用的3 種吸附材料各取5.0 g，其中WT+PES 的質(zhì)量比為 1 ∶1。在 3 種吸附材料中加入 100 mL 去離子水，采用 1.4.1 的方法進行測定 pH 值。結(jié)果見表2。

由表2 可以看出，3 種吸附材料的pH 值都處在中性至弱堿性，有利于NH3-N 的吸附和去除。這是因為pH 值對廢水中NH3-N 的去除有重要的影響，一般為 6.0~9.0。當 pH 值小于 6.0 時，NH3-N 主要以NH4+和大量H+的狀態(tài)存在，由于H+直徑小于NH4+的直徑，H+更易與吸附材料進行吸附，使NH4+的吸附作用較低。隨著pH 值的升高，H+濃度逐漸減小，其與吸附材料的吸附能力變?nèi)?，NH4+的吸附能力逐漸增強。當pH 值升高到一定值時，NH4+的吸附能力達到最強。但隨著pH 值繼續(xù)升高大于9.0 時，溶液中OH－濃度逐漸增大，NH4+易與OH－結(jié)合形成游離氨，減弱了NH4+的吸附能力，使NH3-N 吸附能力下降，去除率降低[3]。

2.2.2 吸附材料表面形態(tài)特征

對吸附材料WT 和PES 進行表面形貌分析，得到的SEM 電鏡掃描圖像見圖1。

圖1 不同吸附材料的SEM 圖像

由圖1 可以看出，WT 表面光滑，有棱角。呈現(xiàn)出多孔特性，孔徑結(jié)構(gòu)比較發(fā)達，且孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則，其孔徑結(jié)構(gòu)較小，這些孔結(jié)構(gòu)較均勻，同時分布著大量的孔道。PES 表面粗糙不平，也呈現(xiàn)出多孔特性。分布著大量的孔道，其孔徑有大孔、中孔和小孔，大孔中相互鑲嵌著中孔和小孔，孔與孔之間相互串聯(lián)。結(jié)果表明，WT 和PES 表面均呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，分布著大量的孔道，因而具有吸附能力。

2.2.3 吸附材料的吸附能力

將3 種吸附材料各取5.0 g，加入100 mL 餐廚有機廢水，采用 1.4.3 和 1.4.4 的方法進行測定CODCr和NH3-N 和濁度的去除率，對3 種吸附材料的吸附能力進行分析，結(jié)果見圖2。

圖2 吸附材料的吸附能力

由圖2（a）和（b）可以看出，3 種吸附材料對餐廚有機廢水中CODCr，NH3-N 和濁度都有較好的吸附作用。WT 對CODCr去除率和吸附質(zhì)量比分別為48.2%和452.46 mg/g，NH3-N 去除率和吸附質(zhì)量比分別為70.2%和5.34 mg/g，濁度去除率為71.7%。WT + PES 對CODCr去除率和吸附質(zhì)量比分別為58.5%和550.04 mg/g，NH3-N 去除率和吸附量分別為73.4%和5.68 mg/g，濁度去除率為71.8%。PES 對CODCr去除率和吸附量分別為62.2%和582.32 mg/g，NH3-N 去除率和吸附質(zhì)量比分別為79.5%和6.14 mg/g，濁度去除率為68.9%。對3 種吸附材料進行對比，其中WT 和WT+PES 對濁度的吸附相差不大，WT+PES 對 CODCr和 NH3-N 的吸附優(yōu)于 WT。PES 對濁度的吸附相對較小，對CODCr和NH3-N 的吸附效果最好，CODCr去除率達到62.2%，吸附量達582.3 mg/g。NH3-N 去除率達到79.5%，吸附量達6.14 mg/g。PES 表面分布著大量的孔道，有發(fā)達的大孔、中孔和小孔，增強了其對CODCr和NH3-N 的吸附作用。

2.2.4 吸附材料吸附動力學特征

（1）吸附材料吸附動態(tài)曲線

在溫度為室溫條件下，依據(jù)1.4.5 的方法對餐廚有機廢水進行吸附，得到WT+PES 和PES 這2 種吸附材料的吸附動態(tài)曲線見圖3。

圖3 吸附材料對CODCr 和NH3-N的吸附量和去除率曲線

由圖3 可以看出，WT+PES 和 WT 這 2 種吸附材料隨著吸附時間增大，對廢水中CODCr和NH3-N吸附量和去除率不斷增加，且表現(xiàn)出了相近的吸附動力學行為。CODCr在1~120 min 內(nèi)，吸附量和去除率都隨著時間增加迅速增大；120~300 min 內(nèi)，吸附量和去除率隨時間增加緩慢增大；300 min 后，吸附趨于平緩，吸附量和去除率基本不再增大達到平衡。WT+PES 對CODCr的平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為 567.22 mg/g 和 60.32%，PES 對 CODCr的平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為590.12 mg/g 和62.75%。NH3-N 在1~200 min 內(nèi)，吸附量和去除率都隨著時間增加迅速增大；200~300min 內(nèi)，吸附量和去除率隨時間增加緩慢增大；300 min 后，吸附趨于平緩，吸附量和去除率基本不再增大達到平衡。WT+PES 對NH3-N 的平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為6.17 mg/g和79.81%，PES 對NH3-N 的平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為6.22 mg/g 和80.47%。結(jié)果表明，2 種吸附材料對餐廚有機廢水具有很好的吸附效果。

（2）吸附材料吸附動力學擬合

采用Lagergren 準一級動力學模型、準二級動力學模型對WT+PES 和PES 這2 種吸附材料吸附餐廚有機廢水過程進行擬合，擬合動力學相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 吸附材料吸附餐廚有機廢水動力學模型相關(guān)參數(shù)

由表3 可知，Lagergren 準一級動力學模型與準二級動力學模型相比，擬合相對較差，準二級動力學模型能很好地描述WT+PES 和PES 這2 種吸附材料對餐廚有機廢水的吸附過程。WT+PES 和PES 這2 種吸附材料對CODCr吸附的相關(guān)性系數(shù)分別是0.997 9 和0.998 8，對 NH3-N 吸附的相關(guān)性系數(shù)分別是0.998 8 和0.998 9，其平衡吸附量更接近實際吸附量。說明WT+PES 和PES 這2 種吸附材料對餐廚有機廢水中CODCr和NH3-N 的吸附以化學吸附為主。由準二級動力學方程速率常數(shù)k2可知，PES對餐廚有機廢水中CODCr和NH3-N 的吸附速率稍高于WT+PES，說明PES 吸附材料吸附餐廚有機廢水要稍優(yōu)于WT+PES 吸附材料。

3 結(jié)論

（1）WT，WT+PES，PES 這 3 種吸附材料的 pH值為中性至弱堿性范圍，有利于有機污染物和NH3-N的吸附和去除。吸附材料表面呈現(xiàn)出多孔特性，分布著大量的孔道，孔徑結(jié)構(gòu)比較發(fā)達，具有良好的吸附能力。

（2）WT 和 WT+PES 對濁度有較好的吸附，去除率分別為 71.7%和 71.8%，WT + PES 對 CODCr和NH3-N 的吸附優(yōu)于WT。PES 對濁度的吸附相對較小，去除率為 68.9%，對 CODCr和 NH3-N 的吸附效果最好，CODCr去除率達到62.2%，吸附質(zhì)量比達到582.3 mg/g。NH3-N 去除率達到79.5%，吸附質(zhì)量比達到6.14 mg/g。

（3）WT+PES 和 PES 這 2 種吸附材料隨著吸附時間增大，對廢水中CODCr和NH3-N 吸附量和去除率不斷增加，且表現(xiàn)出了相近的吸附動力學行為。300 min 后基本達到平衡，WT+PES 對 CODCr平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為567.22 mg/g 和60.32%，對NH3-N 平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為6.17 mg/g 和79.81%；PES 對CODCr平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為590.12 mg/g 和62.75%，對NH3-N 平衡吸附質(zhì)量比和去除率分別為6.22 mg/g 和80.47%。

（4）Lagergren 準二級動力學模型能很好地描述WT+PES 和PES 這2 種吸附材料對餐廚有機廢水的吸附過程。WT+PES 和PES 這2 種吸附材料對餐廚有機廢水中CODCr和NH3-N 的吸附以化學吸附為主，PES 吸附材料吸附餐廚有機廢水要稍優(yōu)于WT+PES 吸附材料。

（5）廢紡織品和多孔膨脹土可作為一種廉價環(huán)保的吸附材料，用于餐廚有機廢水的吸附處理中，從而實現(xiàn)以廢治廢，廢物資源化利用。