一种基于生物炭的尿液废水处理方法与流程

本发明涉及含有新兴污染物的尿液废水的资源化处置，具体涉及一种基于生物炭的尿液废水处理方法。

背景技术：

当代社会，随着经济的不断进步，人口的不断爆发性增长，对于粮食的需要也随之越来越大，而更大的粮食需求，促使在农业生产中为了获得更大的粮食产量而不断增加化肥的使用量，尤其是氮肥、磷肥，施加量更是不断增加。磷肥，主要来自于磷矿石的开采，而在使用中，大部分的磷会经过地表径流和水土流失以及元素循环作用，最终以沉积物的形式沉积到海洋中，从而难以实现磷元素在全球范围内的循环作用，使磷成为一种不可再生的资源。当今社会，随着工业文明的不断发展，现阶段，磷需求预计将进一步增长，全球磷产量峰值预计将在2030年左右出现，磷不仅是保障粮食生产以满足日益增长的世界人口的必不可少的资源；同时生物燃料生产的产量不断增加，给全球的磷储备带来了额外的负担。

同时，施用的肥料中，很大一部分并未被作物固定、利用，而是隐藏在土壤中，随着地表径流与水土流失。肥料中的营养物质随之迁移，最终进入到湖泊、河流等水体中，水环境中积聚了过多的氮磷等营养物质，会使水中的藻类及浮游植物大规模爆发性增殖，消耗水中的溶解氧，使水生动物因缺氧而死亡。同时藻类死亡后，尸体分解，会产生大量的营养物质，恶性循环。

由于尿液中富含各种营养元素，使其在资源恢复领域引起了越来越多的关注。虽然尿液的总体积仅占城市污水总量的4％左右，但它却提供了城市污水中接近80％的氮和超过50％的磷，由于城市污水处理后会排入到天然水体中，甚至部分污废水未经处理就会直接排放，因此污废水中较高的氮磷浓度会对水体产生极大的影响，最直接的影响就是水体的富营养化，导致水体恶化，水生动物死亡，污染水域。因此对城市污水中的尿液进行单独处理，从而实现实现循环利用，对于资源回收以及减轻天然水体的负荷具有重要的作用。

生物炭是一种多孔性的富碳材料，主要是由废弃的生物质在缺氧的条件下，经高温热解产生，是一种廉价的吸附性材料。一般生成的生物炭大多具有较大的比表面积和表面能，具有较强的吸附作用，生物炭能够通过吸附环境中污染物从而降低其生物有效性。mahtabet等认为生物炭能通过含氧官能团、经典引力等去除无机和极性有机污染物。verhejen等综合许多研究发现，生物炭对疏水性有机污染物的亲和力是有机质的10到1000倍，生物碳能去除土壤和沉积物中80-90％的痕量疏水性有机污染物。此外，生物炭通过对污染物的吸附-解吸影响污染物的迁移。jeong等研究了木基生物炭对土壤中泰乐菌素(大环内酯类)吸附-解吸过程的影响，证实了生物炭使用对土壤中泰乐菌素的吸附具有明显的促进作用，并且通过对比添加(5％w/w)和不添加生物炭的易混合置换土柱实验结果表明，在土壤中使用生物炭后，抗生素从土柱中淋出浓度的峰值减小，峰值出现的时间延迟，同时穿透曲线的形状由对称变为非对称并出现长拖尾，说明生物炭对抗生素的解吸过程具有延滞作用。

经过生物炭吸附处理过后的尿液废水，其中的新兴污染物质浓度会大幅度下降，在这样的情况下，尿液可以作为一种富含氮磷资源的液体肥料进行回收利用，如用作农业施肥过程，施加入土壤，或者对尿液废水进行进一步的处理，回收其中的氮磷资源，同时，污染物浓度的下降，在一定程度上保证了回收产物的质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于生物炭的尿液废水处理方法。

本发明为解决现有技术中提出的技术问题提出的技术方案是：一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)制备材料的选择；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20～40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入坩埚内(坩埚的体积为20～100ml)；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(5～20℃/分钟)、烧制温度(350～700℃)、恒温时间(1～5小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50～100℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽。

所述步骤2)中制备材料包括废弃的生物质：玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳或小麦壳。

有益效果：

生物炭是一种重要的吸附性材料，由于其本身具有良好的吸附性能，使其在环保领域得到了广泛的使用，同时，由于其来源广泛且成本低廉，无论废弃的生物质，或者底泥、污泥等都可以用来进行生物炭的制备，从而使其得到了大范围的推广使用。此外，生物炭的制备使用，本身也是一种资源循环利用的典范，其制备材料多为废弃物质，长时间的堆砌存放，经过腐烂分解等作用后，可能会对环境产生一定的危害，如废弃的玉米秸秆在经过长时间的堆放后，腐烂分解，其中的营养成分会进入到土壤中，并在雨水冲刷和地表径流的侵蚀下，进入到湖泊、河湾等水体中，加大水体负荷，对水生安全产生一定的威胁，而基于生物炭对尿液废水进行处理能够有效的将废弃的资源利用起来，在一定程度上实现资源的回收效应，具体:

1、本发明生物炭具有较强的吸附性能，能够有效的吸附去除尿液废水中所含有的新兴污染物，并在吸附结束后，通过过滤作用将其去除。

附图说明

图1是本发明所制得生物炭样品对于尿液废水中磺胺类药物的去除结果；

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

实施例1

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择木屑作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(5℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

本实施例所制得生物炭样品对于磺胺类药物的去除效果如图1所示，可以看出本发明制备的生物炭对于该种药物类污染物具有较好的去除效果，在其处理下，尿液中污染物的残留水平大幅度下降，从而可以将尿液废水作为一种液体肥料进行利用。

实施例2

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择木屑作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(5℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例3

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择木屑作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例4

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择木屑作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2.5小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，100℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例5

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择花生壳作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(5℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例6

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择花生壳作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，80℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例7

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择花生壳作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(500℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，80℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例8

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择花生壳作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(350℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例9

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择玉米秸秆作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(500℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例10

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择玉米秸秆作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过20目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入20ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例11

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择玉米秸秆作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(350℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，80℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例12

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择小麦壳作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(350℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，80℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例13

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定为待处理废物；

2)选择小麦壳作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，80℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例14

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定待处理废物；

2)选择小麦壳作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(500℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例15

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定待处理废物；

2)选择小麦秸秆作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(500℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例16

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定待处理废物；

2)选择小麦秸秆作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(700℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，50℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

实施例17

一种基于生物炭的尿液废水处理方法，包括以下步骤：

1)确定处理目标，包括以下内容：

分析并确定尿液废水中所含有的污染物质，并确定待处理废物；

2)选择小麦秸秆作为制备材料；

3)生物炭的制备，包括以下内容：

a)用粉碎机将筛选好的材料研磨成粉末状，过40目的网筛；

b)将筛选过后的粉末装入50ml坩埚内；

c)将坩埚放入马弗炉内，设置升温速度(10℃/分钟)、烧制温度(350℃)、恒温时间(2小时)；

d)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长下吸光度小于0.005为止；

e)将清洗好的生物炭放置于烘箱内，80℃下烘干；

4)进行模拟实验，确定在当前投加量下，尿液废水中的污染物能够被去除殆尽；

对比使用：

本发明使用实验室常用药品配置合成尿液进行模拟实验，其中氮源主要来自于氨水，初始浓度设置为0.5m，磷源主要来自于磷酸氢二钠(nah2po4)，浓度设置为0.0136mol/l，配置浓度为0.1m的磺胺类药物使用液。称取0.01g本发明制备的两种生物炭(700℃下的木屑生物炭和花生壳生物炭)，分别置于10ml的螺口玻璃瓶中，加入1ml的磺胺类药物使用液，再加入9.9ml的合成尿液，封紧瓶口，置于恒温摇床中，摇床温度设置为25℃，转速为200转/每分钟，反应时间为120小时，反应时间结束后，使用比色法测定溶液中剩余的磺胺类药物浓度，并结合初始浓度，计算磺胺类药物的去除率。

通过图1能够看出，本发明所制备的生物炭，在药物吸附去除上具有明显的效果，木屑生物炭的去除效果达到了80％以上，而花生壳生物炭的去除效果虽然低一些，但也达到了64.55％，说明尿液废水中很大一部分的新兴污染物能够被生物炭吸附去除，因此在实际处理中，也将能够起到更好的处理效果，从而为尿液废水的回收利用产生一定的积极影响。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。