一种同步去除重金属-有机物复合污染的方法

文档序号:30583472发布日期:2022-06-29 13:48阅读:456来源:国知局
一种同步去除重金属-有机物复合污染的方法

1.本发明属于废水处理领域,具体涉及一种同步去除重金属-有机物复合污染的方法和其用于废水处理的方法。


背景技术:

2.随着人类文明高速发展和进化,生态环境受到的污染程度日益严重,水资源受到的影响尤为显著。目前,重金属和抗生素是水中最主要的两种污染物。随着金属电镀、采矿、饲料、农药等行业的快速发展,越来越多的重金属废水通过直接或间接的手段排放到水体,导致水体重金属污染的问题日益严重;抗生素作为一种新出现的污染物,在畜牧及医疗方面大量使用,因此养殖场及医院附近的水体容易受到重金属和抗生素的复合污染。
3.抗生素和重金属两种污染物都具有持久性,长期对人体和环境产生潜在危害。重金属不能被生物分解,且容易在生物体内累积,还可能通过食物链富集进入到人体内;抗生素污染可以诱导微生物产生抗性基因(args),而且可以在基因水平内转移到其他物种,从而对人类健康构成极大威胁。抗生素和重金属复合污染引起的联合毒性要明显强于单一污染造成的毒性。抗生素中含有大量的羟基、羧基、氨基等官能团和电子供体原子,可以与重金属络合,转化为毒性更强及具有持久性的复合污染物。重金属在环境中的浓度水平与生物中抗生素抗性的出现和增加存在一定的联系,环境中args丰度的增加也与重金属的浓度密切相关。此外,抗生素和重金属复合污染的毒性机理不同于两者单一污染造成的急性毒性机理。因此,对重金属和抗生素复合污染的修复研究已成为水体治理的重点。
4.目前关于抗生素和重金属复合污染的研究还不完善,两种污染物间的相互联系和作用机制尚不明确,缺乏针对复合污染修复的有效技术。复合污染废水通常仍按常规废水的处理方法分段治理,但由于污染物性质差异很大,单一的修复技术处理效果并不理想,水体中仍然含有一定浓度的复合污染物。因此,需要开发可以同步高效去除复合污染的相关修复材料或技术。
5.生物炭在重金属和抗生素修复方面均有广泛应用,具有很好的同步去除复合污染的潜力。以污泥为底物热解制备污泥生物炭材料(sbc)是污泥资源化处置的重要方式之一。污泥生物炭的相关研究表明污泥生物炭对水体中的重金属和抗生素有一定去除效果,而原始的污泥生物炭由于比表面积小,官能团数量少,对重金属和抗生素的去除效果有限,严重制约了污泥生物炭的推广应用。研究表明在生物炭中掺入n原子可以改变原始生物炭的电子排布、晶体结构、化学反应、ph和导电性,显著改善生物炭的反应活性,同时还保留生物炭原有的良好理化性能。
6.掺n生物炭在废水重金属和抗生素去除方面有良好的应用前景,但目前尚未有利用掺n污泥生物炭(nsbc)同步去除重金属和有机物复合污染的方法。


技术实现要素:

7.为了同步高效去除废水中的重金属和有机物复合污染,本发明提供一种去除废水
的作用,有机污染物主要是在掺n污泥生物炭表面被降解的。单独的重金属催化h2o2产生的
·
oh对有机污染物的降解效果有限;单独的掺n污泥生物炭不能有效地催化h2o2,也不能有效降解有机污染物。
26.所述废水处理的方法包括去除废水中的重金属和有机污染物。
27.与分段处理重金属和有机物复合污染的常规方法相比,掺n污泥生物炭同步去除复合污染的方法工艺更加简单,对环境更友好,降解效果更彻底,生物毒性下降显著。利用掺n污泥生物炭吸附重金属,既能有效去除废水中的重金属,同时吸附的重金属与过氧化氢的反应可以促进掺n污泥生物炭催化过氧化氢产生活性物质高效降解有机污染物。反应时间仅需2h,比传统处理方法用时更短。
28.与现有技术相比,本发明具有如下有益的技术效果:
29.本发明可用于同步去除废水中的重金属和有机污染物复合污染。本发明的方法将掺n污泥生物炭和微量过氧化氢溶液投加到废水中,以实现废水复合污染的同步去除。在本发明的废水处理方法中,掺n污泥生物炭既可以吸附去除重金属,又可以利用吸附的重金属与过氧化氢的反应来促进掺n污泥生物炭对过氧化氢的催化,产生活性物质高效降解有机污染物,将反应的时间缩短到2h。
30.本发明废水处理方法尤其适用于养殖废水和医疗废水处理,可以高效去除废水中的重金属和有机污染物,且显著地降低废水的生物毒性水平。使用本发明的废水处理方法,废水中的cu
2+
去除率可以达到64.8%,磺胺嘧啶(sd)的去除率可以达到100%,生物毒性可以降低到2.626mg/l氯化汞当量。
附图说明
31.图1为实施例2中掺n污泥生物炭对cu
2+
和磺胺嘧啶复合污染中cu
2+
的去除效果图。
32.图2为实施例2中多种体系对磺胺嘧啶的去除效果。
33.图3为实施例2中掺n污泥生物炭对cu
2+
和磺胺嘧啶复合污染去除过程中的自由基淬灭实验结果图;叔丁醇用于淬灭体系中的
·
oh;碘化钾用于淬灭掺n污泥生物炭表面的
·
oh;超氧化物歧化酶用于淬灭体系中的超氧阴离子自由基;组氨酸用于淬灭体系中的1o2和少部分
·
oh。
34.图4为实施例3中掺n污泥生物炭对cu
2+
和磺胺嘧啶复合污染中多种重金属离子共存时重金属的去除效果图;a为cu和cd共存;b为cu和cr共存;c为cu和pb共存;d为cu和zn共存;e为cu、zn、pb、cd、cr五种重金属共存。
35.图5为实施例3中掺n污泥生物炭对cu
2+
和磺胺嘧啶复合污染中多种重金属离子共存时磺胺嘧啶的去除效果。
36.图6为实施例3中掺n污泥生物炭对不同金属和磺胺嘧啶共存体系下对磺胺嘧啶的去除效果。
37.图7为实施例3中掺n污泥生物炭在不同重金属和磺胺嘧啶共存体系下对重金属的去除效果。
具体实施方式
38.下面结合说明书附图和具体实施例来进一步详细阐述本发明,但实施例并不对本
发明做任何形式的限定。除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
39.除非特别说明,以下实施例所用试剂和材料均为市购。
40.实施例1掺n污泥生物炭的制备
41.1)取广州市大坦沙污水处理厂的市政污泥于100℃的干燥箱中烘干至恒重,使污泥完全脱去水分。
42.2)干燥后的污泥磨碎并过200目(污泥颗粒粒径约为75μm)木筛,用布袋收集后置于干燥器中保存,用于后续热解。
43.3)取尿素和污泥按照质量比1:2的比例混合加入到300ml乙醇中(其中尿素和污泥的质量不低于40g,不高于120g),超声30min,使尿素和污泥在乙醇中充分混匀。
44.4)超声结束后将混合物于35℃的恒温水浴锅中搅拌8小时,使乙醇完全挥发;将剩余尿素和污泥混合物收集到袋中置于干燥器保存待用。
45.5)取污泥和尿素混合物置于小陶瓷盘中,放入管式炉中通入n2作为保护气,在700℃下热解2.5h,升温速率设置为5℃
·
min-1

46.6)热解得到的掺n污泥生物炭用去离子水冲洗3次,于100℃的烘箱中烘干24h。用布袋收集烘干后的掺n污泥生物炭置于干燥器中保存待用。
47.实施例2掺n污泥生物炭同步去除废水中cu和磺胺嘧啶复合污染的实验
48.为了探究掺n污泥生物炭去除废水中重金属和磺胺嘧啶复合污染的最佳去除性能,选择cu作为目标重金属,具体实验条件设计如下:取1g/l的cu
2+
母液5ml、60mg/l的sd母液16.7ml、超纯水28.3ml和h2o2溶液(市售30%浓度)100μl加入到100ml的血清瓶中,使溶液中的cu
2+
浓度为100mg/l,sd浓度为20mg/l,h2o2浓度为20mm;称取0.04g掺n污泥生物炭加入到血清瓶中,使体系中nsbc浓度为0.8g/l;不加入任何缓冲液来调节ph。
49.血清瓶于磁力搅拌器上匀速搅拌2h,分别于0、15、30、60、90、120min时取样。用于测定sd:取500μl样品和500μl甲醇终止sd的降解反应,混合液经0.22μm有机滤头过滤后转移到1ml的hplc样品瓶中,于4℃冰箱中保存待测。用于测定cu
2+
:取4ml样品,在6000r/min的转速下离心4min后过0.22μm水系滤头,转移至5ml的离心管中,加入2滴2%硝酸溶液后用icp-oes测定。使用gb/t 15441-1995《水质急性毒性的测定发光细菌法》对废水中的生物急性毒性进行测定。
50.如图1所示,2h后复合污染体系中cu
2+
的去除率可以达到64.8%;如图2所示,2h复合污染体系中磺胺嘧啶的降解率可以达到100%;如表1所示,反应10h后废水的急性毒性降低到2.626mg/l氯化汞当量的水平;如图3所示,叔丁醇和碘化钾加入后磺胺嘧啶的降解率不足60%,说明体系中掺n污泥生物炭表面的
·
oh对磺胺嘧啶的降解起重要作用;超氧化物歧化酶不影响磺胺嘧啶的降解,表明体系中超氧阴离子自由基并不参与磺胺嘧啶的降解;组氨酸加入后磺胺嘧啶的降解受到了极大的抑制,这说明体系中的1o2对磺胺嘧啶的降解发挥了重要作用,即掺n污泥生物炭对磺胺嘧啶去除的主要机理是掺n污泥生物炭表面
·
oh的自由基途径和1o2的非自由基途径。
51.表1掺n污泥生物炭对cu和磺胺嘧啶复合污染废水处理后水质的急性毒性变化
[0052][0053]
实施例3多种重金属共存时掺n污泥生物炭同步去除废水中重金属和磺胺嘧啶复合污染的实验
[0054]
为了模拟实际废水中多种重金属共存下,掺n污泥生物炭对废水中重金属和磺胺嘧啶复合污染的去除性能,分别在溶液中加入5ml母液浓度为100mg/l的zn
2+
、pb
2+
、cd
2+
、cr
6+
,其他条件与实施例2中完全相同,使得溶液中各金属的浓度均为100mg/l。取样及测定方法均与实施例2相同。
[0055]
如图4所示,多种金属共存时,cu
2+
的去除效果均低于cu
2+
单独存在的体系。掺n污泥生物炭对pb
2+
和cu
2+
均有良好的去除性能,分别达到41%和29%;掺n污泥生物炭对zn
2+
、cd
2+
、cr
6+
三种金属离子也有一定的去除效果;多种重金属离子共存时,掺n污泥生物炭对所有的重金属离子均有去除效果,去除率分别为pb
2+
32%,cu
2+
19.5%,cr
6+
11%,zn
2+
8.3%,cd
2+
5.1%。如图5所示,cu分别与zn、pb、cd共存实验组中磺胺嘧啶的降解率分别为83.7%、82.9%和84.5%;在cu和cr共存时,cr
6+
对过氧化氢也有良好的催化能力,因此磺胺嘧啶的降解率仍为100%;而cu、zn、pb、cd和cr五种金属复合存在时,由于cr
6+
对过氧化氢的催化能力强于其他几种金属,且cr
6+
本身也具有极强的氧化性,故复合金属共存的组别中磺胺嘧啶的降解率仍可以达到100%。实验数据表明,掺n污泥生物炭对共存金属离子有良好的的去除性能,对磺胺嘧啶有极好的降解效果。
[0056]
上述实施例为本发明较佳的实施方式,本发明主要阐述所述方法以及基于所述方法的应用思想,实施方式中简单参数的替换不能一一在实施例中赘述,但并不因此限制本发明的保护范围,其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,应被视为等效的置换方式,包含在本发明的保护范围之内。
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