CN106045058A - 光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，包括以下步骤：将光催化生物吸附剂与垃圾渗滤液混合进行光照振荡吸附降解，完成对垃圾渗滤液的处理；光催化生物吸附剂包括黄孢原毛平革菌菌球、石墨型C3N4和海藻酸钙，石墨型C3N4通过海藻酸钙包裹在黄孢原毛平革菌菌球的菌丝上。本发明的方法具有成本低、操作简单、周期短、易分离等优点，且对垃圾渗滤液中有机污染物具有很好的吸附降解效果。
Description
技术领域
本发明属于垃圾渗滤液的处理领域，涉及一种垃圾渗滤液的处理方法，具体涉及一种光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法。
背景技术
垃圾渗滤液具有TOC、COD、重金属和氨氮含量高，色度大，有毒性，难生化降解物质含量多等特点，是目前国际上公认的污水处理技术难题。近年来，垃圾渗滤液的处理方法主要是渗滤液预处理、主体工艺处理以及深度处理，包括普通物化预处理、常见的生化主体工艺以及发展迅速的膜分离、高级氧化等深度处理技术。但是这些方法具有工艺流程复杂，设备要求高，成本高等缺点。光化学催化法能有效地降解垃圾渗滤液中的难降解有机污染物，同时微生物吸附降解法由于成本低也广受人们的青睐。因此，结合两者的特性，利用光催化生物吸附剂来处理垃圾渗滤液具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸附降解效果好、成本低、操作简单、周期短、易分离的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，包括以下步骤：将光催化生物吸附剂与垃圾渗滤液混合进行光照振荡吸附降解，完成对垃圾渗滤液的处理；所述光催化生物吸附剂包括黄孢原毛平革菌菌球、石墨型C3N4和海藻酸钙；所述石墨型C3N4通过海藻酸钙包裹在黄孢原毛平革菌菌球的菌丝上。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述光催化生物吸附剂的添加量为每100mL垃圾渗滤液中添加光催化生物吸附剂2.0g～4.0g。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述垃圾渗滤液中初始总有机碳浓度为180mg/L～300mg/L。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述光照振荡吸附降解的光照强度为10Lux～20Lux；所述光照振荡吸附降解的温度为35℃～39℃，转速为150r/min～160r/min，时间为60h～72h。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述光催化生物吸附剂的制备方法包括以下步骤：
S1、将石墨型C3N4材料加入到海藻酸钠溶液中超声分散，然后加入黄孢原毛平革菌孢子悬液混合均匀，得到混合溶液；
S2、将步骤S1中的混合溶液滴加到氯化钙溶液中硬化，得到包埋小球；
S3、将步骤S2中的包埋小球置于培养液中振荡培养，得到光催化生物吸附剂。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述步骤S1中，所述石墨型C3N4材料与所述海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量比为1∶40～50；所述黄孢原毛平革菌孢子悬液与所述海藻酸钠溶液的体积比为1∶0.8～1.2。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述海藻酸钠溶液的质量浓度为4％～5％；所述黄孢原毛平革菌孢子悬液中孢子浓度为5.0×105个/mL～1.0×106个/mL。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述步骤S2中，所述氯化钙溶液的质量浓度为4％～5％；所述步骤S3中，所述培养液为Kirk培养液。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述步骤S1中，所述超声分散的频率为5KHz～10KHz，时间为3min～5min；所述步骤S2中，所述硬化的时间为2h～4h；所述步骤S3中，所述振荡培养的条件是：温度为35℃～39℃，转速为120r/min～130r/min，时间为60h～72h。
上述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法中，优选的，所述步骤S1中，所述石墨型C3N4材料的制备方法包括以下步骤：
(1)升温煅烧：按升温速率为3℃/min～8℃/min，将尿素升温加热至500℃～600℃；
(2)恒温煅烧：将温度保持在500℃～600℃煅烧2h～4h，得到石墨型C3N4材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明提供了一种光催化生物吸附剂，通过将石墨型C3N4材料负载在黄孢原毛平革菌菌丝上，结合了光化学催化剂石墨型C3N4材料和生物材料黄孢原毛平革菌的优点，简化了光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液工艺流程，并解决了石墨型C3N4材料在使用过程中易流失、难回收等问题。与现有技术相比，本发明的方法成本低，操作简单，周期短，易分离等优点，且对垃圾渗滤液中有机污染物具有很好的吸附降解效果。
2、本发明的光催化生物吸附剂中，石墨型C3N4材料属于非金属光催化纳米材料，在光催化反应过程中对黄孢原毛平革菌的毒性较小，即微生物具有更高的生物活性。此外，石墨型C3N4材料具有更大的可见光吸收光区，且光电子转化速率高，因此，具有更高的光催化效率。
3、本发明的制备方法中利用固定化技术，将石墨型C3N4材料很好的负载在黄孢原毛平革菌菌球的菌丝上，制备出了能够高效光催化降解和微生物吸附降解有机污染物的光催化生物吸附剂。本发明优化了石墨型C3N4材料与海藻酸钠的质量比，海藻酸钠质量越高，最后得到的光催化生物吸附剂的结构越坚固，海藻酸钠的作用是在氯化钙溶液中硬化生成海藻酸钙，而海藻酸钙对于光催化生物吸附剂起到结构支撑的作用。可见，本发明制备的光催化生物吸附剂的结构更加坚固，目的是抵抗垃圾渗滤液中更为复杂的成分，即本发明制备的光催化生物吸附剂能够处理成分更为复杂的垃圾渗滤液。
4、本发明提供了一种光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，将光催化生物吸附剂与垃圾渗滤液在光照条件下振荡吸附降解。本发明利用光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的原理是：首先通过石墨型C3N4材料在可见光条件下对垃圾渗滤液中有机污染物进行光催化降解，其次是通过黄孢原毛平革菌菌球对垃圾渗滤液中有机污染物进行吸附生物降解。本发明提供的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法结合了光催化降解和微生物吸附降解两种方法的优点，石墨型C3N4材料能够光催化降解垃圾渗滤液中难降解有机污染物，为黄孢原毛平革菌菌球的生物吸附降解创造了有利条件；黄孢原毛平革菌菌球具有较严密的网络空间结构，能够吸附大量的有机污染物，同时黄孢原毛平革菌菌球也能够分泌胞外酶，也具有降解垃圾渗滤液中有机污染物的能力。可见，本发明提供的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法具有很高的效率，且具有很好的实用性。另外，本发明需要在光照的条件下才能进行光催化降解，且光照强度越大，光催化降解效率越高。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的光催化生物吸附剂的扫描电镜(SEM)图。
图2为本发明实施例1制备的光催化生物吸附剂的能谱(EDS)图。
图3为本发明实施例2对不同初始TOC浓度的垃圾渗滤液处理后的光催化生物吸附剂的扫描电镜(SEM)图。
图4为本发明实施例2的光催化生物吸附剂对不同初始TOC浓度垃圾渗滤液的吸附降解效果图。
图5为本发明实施例3在不同添加量对垃圾渗滤液处理后的光催化生物吸附剂的扫描电镜(SEM)图。
图6为本发明实施例3的光催化生物吸附剂在不同添加量对垃圾渗滤液的吸附降解效果图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
一种本发明的光催化生物吸附剂，该光催化生物吸附剂包括黄孢原毛平革菌菌球、石墨型C3N4和海藻酸钙；石墨型C3N4通过海藻酸钙包裹在黄孢原毛平革菌菌球的菌丝上。
一种上述本实施例的光催化生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取10g尿素于100mL的坩埚中，盖好盖子，然后用锡箔纸包裹严实；把上述样品放置在马弗炉的中间位置，进行煅烧。煅烧具体为：按升温速率为8℃/min将尿素从室温升温加热至550℃，然后将温度保持在550℃恒温煅烧3h。在空气中冷却后，将样品在研钵中研磨5min，所得的亮黄色粉末即为石墨型C3N4材料。
(2)取0.1g步骤(1)制得的石墨型C3N4材料加入到100mL含有海藻酸钠4g的溶液中，在超声频率为10KHz的条件下超声，超声时间为3min，使其分散均匀，得到石墨型C3N4材料和海藻酸钠的混合溶液。
(3)将100mL、孢子浓度为5.0×105个/mL的黄孢原毛平革菌孢子悬液加入到步骤(2)的混合溶液中，充分混合，得到石墨型C3N4材料、海藻酸钠和黄孢原毛平革菌的混合溶液。
(4)用注射器将步骤(3)的混合溶液逐滴滴入到200mL质量浓度为4％的氯化钙溶液中，硬化2h后洗净，制得包埋小球。
(5)将步骤(4)制得的包埋小球转移到Kirk培养液中，在35℃、130r/min的条件下，振荡培养72h，过滤洗净，即得光催化生物吸附剂。
图1为本实施例制备的光催化生物吸附剂的扫描电镜(SEM)图。如图1所示，由本实施例制备的光催化生物吸附剂具有稳定的空间网状结构，具有较大的比表面积，且菌丝作为牢固的支架，石墨型C3N4材料被固定在了菌丝支架上。
图2为本实施例制备的光催化生物吸附剂的能谱(EDS)图。如图2所示，由本实施例制备的光催化生物吸附剂含有的元素有C、N、O、Na、Mg、Cl、K、Ca，且C、N、O、Ca相对占的比重大，说明石墨型C3N4材料被钙藻酸钙固定在了菌丝支架上。
本发明的制备方法中利用固定化技术，将石墨型C3N4材料很好的负载在黄孢原毛平革菌菌球的菌丝上，制备出了能够高效光催化降解和微生物吸附降解有机污染物的光催化生物吸附剂。本发明优化了石墨型C3N4材料与海藻酸钠的质量比，海藻酸钠质量越高，最后得到的光催化生物吸附剂的结构越坚固，海藻酸钠的作用是在氯化钙溶液中硬化生成海藻酸钙，而海藻酸钙对于光催化生物吸附剂起到结构支撑的作用。可见，本发明制备的光催化生物吸附剂的结构更加坚固，目的是抵抗垃圾渗滤液中更为复杂的成分，即本发明制备的光催化生物吸附剂能够处理成分更为复杂的垃圾渗滤液。
实施例2
一种本发明的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，包括以下步骤：
(1)用超纯水稀释原垃圾渗滤液，得到一定初始浓度TOC的垃圾渗滤液，初始TOC浓度可分别为180mg/L、210mg/L、240mg/L、270mg/L、300mg/L。
(2)将实施例1所得的光催化生物吸附剂添加到步骤(1)所得的初始浓度TOC的垃圾渗滤液中，光催化生物吸附剂添加量为每100mL垃圾渗滤液中添加光催化生物吸附剂3.0g，进行光照振荡吸附降解，其中光照的强度为20Lux，振荡吸附降解的温度为37℃，振荡吸附降解的振荡转速为160r/min，振荡吸附降解的时间为72h。
(3)振荡吸附降解完成后固液分离，完成对垃圾渗滤液的处理。
图3为本实施例中处理不同初始TOC浓度垃圾渗滤液后的光催化生物吸附剂的扫描电镜(SEM)图。如图3所示，A图代表的是处理初始TOC浓度为180mg/L的垃圾渗滤液后的光催化生物吸附剂扫描电镜图，B图代表的是处理初始TOC浓度为240mg/L的垃圾渗滤液后的光催化生物吸附剂扫描电镜图，对比可以看出：在相对低TOC浓度的条件下，光催化生物吸附剂仍能保持结构的完整性；相对较高TOC浓度的条件下，光催化生物吸附剂的结构遭到一定程度的破坏。
图4为本实施例的光催化生物吸附剂对不同初始TOC浓度垃圾渗滤液的吸附降解效果图。如图4所示，对于初始TOC浓度可分别为180mg/L、210mg/L、240mg/L、270mg/L、300mg/L的垃圾渗滤液，本发明实施例1制备的光催化生物吸附剂进行吸附降解后浓度分别为55.9mg/L、89.2mg/L、125.1mg/L、175.5mg/L、215.4mg/L，去除效率分别达到68.9％、57.5％、47.9％、35％、28.2％。因此本发明提供的光催化生物吸附剂对于不同初始TOC浓度的垃圾渗滤液均具有一定的去除效果。
实施例3
一种本发明的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，包括以下步骤：
(1)用超纯水稀释原垃圾渗滤液，得到一定初始浓度TOC的垃圾渗滤液，初始TOC浓度可为240mg/L。
(2)将实施例1所得的光催化生物吸附剂添加到步骤(1)所得的初始浓度TOC的垃圾渗滤液中，光催化生物吸附剂添加量分别为每100mL垃圾渗滤液中添加光催化生物吸附剂2.0g、3.0g、4.0g，进行光照振荡吸附降解，其中光照的强度为20Lux，振荡吸附降解的温度为37℃，振荡吸附降解的振荡转速为160r/min，振荡吸附降解的时间为72h。
(3)振荡吸附降解完成后固液分离，完成对垃圾渗滤液的处理。
图5为本实施例在不同添加量对垃圾渗滤液处理后的光催化生物吸附剂的扫描电镜(SEM)图。如图5所示，A图代表的是添加2.0g处理垃圾渗滤液后的光催化生物吸附剂的扫描电镜图，B图代表的是添加3.0g处理垃圾渗滤液后的光催化生物吸附剂的扫描电镜图，对比可以看出：在光催化生物吸附剂低添加量的情况下，由于微生物之间生长竞争相对较少，所以微生物菌丝长的更加结实饱满，因而光催化生物吸附剂结构更加的完整。
图6为本实施例不同添加量的光催化生物吸附剂对垃圾渗滤液的吸附降解效果图。如图6所示，对于光催化生物吸附剂添加量分别为2.0g、3.0g、4.0g，处理初始TOC浓度为240mg/L的垃圾渗滤液，吸附降解完成后，残留的TOC浓度分别为148.3mg/L、125.1mg/L、106.7mg/L，去除效率分别达到38.2％、47.9％、55.5％。
实施例4
一种本发明的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，包括以下步骤：
(1)用超纯水稀释原垃圾渗滤液，得到一定初始浓度TOC的垃圾渗滤液，初始TOC浓度可为240mg/L。
(2)将实施例1所得的光催化生物吸附剂添加到步骤(1)所得的初始浓度TOC的垃圾渗滤液中，光催化生物吸附剂添加量为每100mL垃圾渗滤液中添加光催化生物吸附剂3.0g，进行光照振荡吸附降解，其中光照的强度分别为0Lux、20Lux，振荡吸附降解的温度为37℃，振荡吸附降解的振荡转速为160r/min，振荡吸附降解的时间为72h。
(3)振荡吸附降解完成后固液分离，完成对垃圾渗滤液的处理。
表1不同光照强度下光催化生物吸附剂对垃圾渗滤液中TOC的处理效果
由表1可以看出，在有光照的条件下，光催化生物吸附剂对垃圾渗滤液中TOC的去除效率达到47.9％，在没有光照的条件下，光催化生物吸附剂对垃圾渗滤液中TOC的去除效率只有13.25％，所以光照对于光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液具有重要的影响。
表1中，降解时间为1、3、6h，垃圾渗滤液中的TOC不降反升，这是因为在0h～6h，黄孢原毛平革菌向溶液中分泌了胞外酶(属于有机物)，同时垃圾渗滤液中有机污染物的初始降解速率还不高。因此，在吸附降解初始阶段TOC出现了上升的情况。另外，本发明需要在光照的条件下才能进行光催化降解，且光照强度越大，光催化降解效率越高，但是光照强度太大，又会影响微生物的生物活性。
综上所述，本发明提供的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，通过将石墨型C3N4材料负载在黄孢原毛平革菌菌丝上，结合了光化学催化剂石墨型C3N4材料和生物材料黄孢原毛平革菌的优点，简化了光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液工艺流程，并解决了石墨型C3N4材料在使用过程中易流失、难回收等问题。本发明光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法结合了光催化降解和微生物吸附降解两种方法的优点，石墨型C3N4材料能够光催化降解垃圾渗滤液中难降解有机污染物，为黄孢原毛平革菌菌球的生物吸附降解创造了有利条件；黄孢原毛平革菌菌球具有较严密的网络空间结构，能够吸附大量的有机污染物，同时黄孢原毛平革菌菌球也能够分泌胞外酶，也具有降解垃圾渗滤液中有机污染物的能力。可见，本发明提供的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法具有很高的效率，且具有很好的实用性。与现有技术相比，本发明的方法成本低，操作简单，周期短，易分离等优点，且对垃圾渗滤液中有机污染物具有很好的吸附降解效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，包括以下步骤：将光催化生物吸附剂与垃圾渗滤液混合进行光照振荡吸附降解，完成对垃圾渗滤液的处理；所述光催化生物吸附剂包括黄孢原毛平革菌菌球、石墨型C3N4和海藻酸钙；所述石墨型C3N4通过海藻酸钙包裹在黄孢原毛平革菌菌球的菌丝上。
2.根据权利要求1所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述光催化生物吸附剂的添加量为每100mL垃圾渗滤液中添加光催化生物吸附剂2.0g～4.0g。
3.根据权利要求1所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述垃圾渗滤液中初始总有机碳浓度为180mg/L～300mg/L。
4.根据权利要求1所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述光照振荡吸附降解的光照强度为10Lux～20Lux；所述光照振荡吸附降解的温度为35℃～39℃，转速为150r/min～160r/min，时间为60h～72h。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述光催化生物吸附剂的制备方法包括以下步骤：
S1、将石墨型C3N4材料加入到海藻酸钠溶液中超声分散，然后加入黄孢原毛平革菌孢子悬液混合均匀，得到混合溶液；
S2、将步骤S1中的混合溶液滴加到氯化钙溶液中硬化，得到包埋小球；
S3、将步骤S2中的包埋小球置于培养液中振荡培养，得到光催化生物吸附剂。
6.根据权利要求5所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述石墨型C3N4材料与所述海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量比为1∶40～50；所述黄孢原毛平革菌孢子悬液与所述海藻酸钠溶液的体积比为1∶0.8～1.2。
7.根据权利要求6述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液的质量浓度为4％～5％；所述黄孢原毛平革菌孢子悬液中孢子浓度为5.0×105个/mL～1.0×106个/mL。
8.根据权利要求5所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述氯化钙溶液的质量浓度为4％～5％；所述步骤S3中，所述培养液为Kirk培养液。
9.根据权利要求5所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述超声分散的频率为5KHz～10KHz，时间为3min～5min；所述步骤S2中，所述硬化的时间为2h～4h；所述步骤S3中，所述振荡培养的条件是：温度为35℃～39℃，转速为120r/min～130r/min，时间为60h～72h。
10.根据权利要求5所述的光催化生物吸附剂处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述石墨型C3N4材料的制备方法包括以下步骤：
(1)升温煅烧：按升温速率为3℃/min～8℃/min，将尿素升温加热至500℃～600℃；
(2)恒温煅烧：将温度保持在500℃～600℃煅烧2h～4h，得到石墨型C3N4材料。
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