CN107670651A - 污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中头孢他啶抗生素的方法 - Google Patents

污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中头孢他啶抗生素的方法 Download PDF

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Abstract

污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中头孢他啶抗生素的方法，属于水处理技术领域。将取回的曝气池回流污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨、筛分至350‑850μm，在烧杯配制污泥悬浮液，并调节pH值至5‑9，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气，经反应釜在180‑280℃下反应2.5‑6小时生成污泥基生物质水热炭，离心并用水清洗数次，干燥，即得到污泥基生物质水热炭吸附剂；(2)将吸附剂加入到初始浓度为2‑10mg/L的头孢他啶溶液中，在10‑30℃条件下震荡吸附20‑24h，离心使固液分离。本发明可以将污泥变废为宝，去除水中的头孢他啶抗生素，以废治废，实现污泥的资源化利用和水环境保护。

Description

污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中头孢他啶抗生素的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体是涉及一种利用污泥基水热炭吸附剂去除水中头孢他啶抗生素的方法。
背景技术
传统意义上的抗生素，被定义为一种能够杀灭微生物或抑制微生物生长的化合物。然而，广义上抗生素则泛指为抗菌药、抗病毒药、抗真菌药和抗肿瘤药的总称。自年青霉素应用于临床以来，人类开始大量使用抗生素，抗生素被广泛用于治疗人的疾病和预防动物细菌感染。目前抗生素的种类己达数千种，在临床上常用的亦有数百种。抗生素可分为分为内酰胺类、四环素类、氨基糖式类、大环内酯类、喹诺酮类、磺胺类等。随着人们对抗生素需求的增长，抗生素的产量不断增加。抗生素在生产、运输、使用和处置的过程中不可避免地被释放到环境中，使细菌对抗生素产生抗性，对人类健康和生态环境存在潜在的风险。目前，抗生素作为一类新兴污染物，己在环境中被频繁检出。
β－内酰胺类抗生素是目前最常用的抗生素之一，如青霉素和头孢菌素等，是窄谱抗生素，对革兰氏阳性链球菌属、淋菌和葡萄球菌具有高效性。这些抗生素通过抑制细菌的化聚糖细胞壁的合成而发挥抑菌作用。此外，β－内酰胺类也作为家禽和鱼饲料的添加品，导致其在动物体内，鱼养殖场的废水中，特别是，在肉制品加工场的废水中的积累。这些抗生素己经在污水处理厂中检测到。在一般情况下，β－内酰胺类在水中溶解性高，具有低的生物降解性和高毒性。它们是诱变和致癌化合物，因此是具有潜在危险的化合物，其持久性及在水溶液中增强了他们的生物累积。
目前污水处理工艺仅针对废水中耗氧有机物和营养元素N、P的去除，其对抗生素类污染物主要通过高级氧化、催化光解和特殊生物降解等方式进行处理，存在处理成本高、去除效率低、产生具有生物毒性的中间产物等缺陷，并会导致大量抗生素进入水体造成二次污染。因此寻找一种绿色高效的去除或降解此类污染物的方法是必要的，而吸附技术快速、经济，且能够去除可溶性和不可溶性的污染物，甚至是生物污染物，因此被广泛应用于水处理中。生物质炭是生物质原料在完全绝氧或部分缺氧条件下经高温热裂解产生的一类富碳、高度芳香化和高稳定性的固体产物，是一种典型的吸附剂。根据加热方式不同，利用生物质原材料制备生物质炭的方法可分为两种，一种是热裂解法，是指在较高温度(350-500℃)和隔绝空气条件下将生物质慢速加热并停留几小时到几天时间，得到的产物叫裂解生物质炭；一种是生物质水热炭化的方式，是以水为反应介质，将密闭反应器内的生物质低温加热反应若干时间，得到产物叫水热生物质炭。生物质炭具有发达的孔隙结构、高的比表面积以及丰富的表面官能团等特点，这使生物质炭在生物吸附领域有广泛的应用前景。
在本专利中，提供了利用污泥制备生物质水热炭吸附剂去水中头孢他啶的有效方法，可以将污泥变废为宝，去除水中的头孢他啶抗生素，以废治废，实现污泥的资源化利用和水环境保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效环保的利用污泥基生物质水热炭吸附去除水中头孢他啶抗生素的方法。
污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中头孢他啶抗生素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)污泥基生物质水热炭吸附剂的制备：将取回的曝气池回流污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨、筛分至350-850μm，在烧杯配制污泥悬浮液，悬浮液污泥颗粒：水质量比为1:19-1:4；并调节上述泥水混合溶液的pH值至5-9，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气，使釜体中形成无氧环境，经反应釜在180-280℃下反应2.5-6小时生成污泥基生物质水热炭，离心并用水清洗数次，干燥，即得到污泥基生物质水热炭吸附剂；
(2)将吸附剂加入到初始浓度为2-10mg/L的头孢他啶溶液中，在10-30℃条件下震荡吸附20-24h，离心使固液分离；污泥基生物质水热炭吸附剂投加量为0.5-2.5g/L。
进一步，将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm，称取25-100g污泥颗粒，加400-475ml水配制泥水混合溶液，并用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液调节上述泥水混合溶液的pH值至5-9，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气3分钟，使釜体中形成无氧环境，在180-280℃下反应2.5-6小时生成污泥基生物质水热炭，离心并用水清洗数次，干燥，即得到污泥基生物质水热炭吸附剂。
配制泥水混合溶液时固液比即污泥颗粒(g)：水(g)为1:19-1:4。
上述污泥基生物质水热炭吸附剂用于去除水中的头孢他啶抗生素。
制备条件中的温度优选180℃、时间优选3h。
将污泥基生物质水热炭吸附剂加入到初始浓度为2-10mg/L的头孢他啶抗溶液中，在10-30℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
上述污泥基生物质水热炭吸附剂用于去除水中头孢他啶时，投加量优选1g/L，吸附温度优选15℃。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明的污泥基生物质水热炭吸附剂具有较好的吸附性能,对水中头孢他啶有较高的去除率，15℃时可去除水中87％的头孢他啶。
(2)与化学沉淀、膜分离、氧化还原、生物降解等方法相比，本发明的利用污泥基生物质水热炭吸附去除水中头孢他啶的方法，操作简单，成本低廉，无二次污染，具有产业化前景。
(3)本发明制备的污泥基生物质水热炭吸附剂，不仅减轻了环境负荷，同时为城市污泥的利用提供了新途径，实现了污泥的资源化利用和水环境保护。
附图说明
图1为吸附剂投加量对污泥基生物质水热炭吸附效果的影响。
图2为头孢他啶初始浓度对污泥基生物质水热炭吸附效果的影响。
图3为生物质炭的热重曲线
具体实施方式
所述例子中污泥是高碑店污水厂的曝气池回流污泥，含水率达99.6％。但不局限于此，曝气池回流污泥均可。
实例一：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取50g污泥颗粒，加450ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至5，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气3分钟，使釜体中形成无氧环境，在180℃下反应3.5h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为43.57％。
取污泥基生物质水热炭吸附剂加入到初始浓度为4mg/L的头孢他啶溶液中，吸附剂投加量分别为0.5、1、1.5、2、2.5g/L，即25ml头孢他啶溶液分别对应0.0125、0.025、0.0375、0.05、0.0625g吸附剂，在15℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
吸附剂投加量对吸附容量及去除效果的影响如图1所示。
实例二：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取100g污泥颗粒，加400ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至7，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气3分钟，使釜体中形成无氧环境，在180℃下反应3h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为46.58％。
取污泥基生物质水热炭吸附剂分别加入到初始浓度为2、4、6、8、10mg/L的头孢他啶溶液中，吸附剂投加量为1g/L，即25ml头孢他啶溶液分别对应0.025g吸附剂，在15℃条件下震荡吸附24h，离心使固液分离。将液体收集到废液桶，统一处理。
吸附剂投加量对吸附容量及去除效果的影响如图2所示。
实例三：将污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨，筛分至350-850μm备用。称取25g污泥颗粒，加475ml水，用0.1mol/L的HCl和NaOH溶液将泥水混合溶液的pH值调至9，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气3分钟，使釜体中形成无氧环境，在180℃下反应4h，将产物取出后离心使固液分离，再用清水洗数次，将固体取出在105℃下干燥24h,得到污泥基生物质水热炭吸附剂，产率为42.35％。
取本样品做热重分析，如图3所示。
由TG曲线可看出，生物质炭在温度小于100℃时有失重，这是由于生物质炭脱除自由水(颗粒间以及晶层外的吸附水)造成的，失重为2.4％这表明生物质炭的吸附水较少，表面疏水性较强。100～160℃时TG曲线较为平滑，质量损失可能源于结合水和一些大分子基团的脱水反应。160～330℃和330～500℃这两个温度范围内发生热分解主反应，质量减少分别为17.24％和21.98％。500～900℃阶段质量虽有减少，但失重只有5.57％，这反映出这一温度段内反应速率变得缓慢，反应生成的气态产物变少，所以质量损失少，反应主要在固体内部进行。
分析DSC曲线可知，生物质炭热分解过程中在100℃和220℃左右出现吸热峰，但峰值较小，吸热并不明显，540℃左右出现明显的吸热，并且随着温度的升高，吸收的热量越多，综合分析整个热分解过程，反应整体为吸热过程，但在温度较低时，反应吸热较少，温度越高，吸收的热量越多，这表明该反应需要较高的温度提供足够的能量才能发生。

Claims (3)

1.污泥基生物质水热炭吸附剂去除水中头孢他啶抗生素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)污泥基生物质水热炭吸附剂的制备：将取回的曝气池回流污泥离心进行初步脱水，经干燥、研磨、筛分至350-850μm，在烧杯配制污泥悬浮液，悬浮液污泥颗粒：水质量比为1:19-1:4；并调节上述泥水混合溶液的pH值至5-9，放入反应釜中，盖上反应釜盖，向反应釜中通氮气，使釜体中形成无氧环境，经反应釜在180-280℃下反应2.5-6小时生成污泥基生物质水热炭，离心并用水清洗数次，干燥，即得到污泥基生物质水热炭吸附剂；
(2)将吸附剂加入到初始浓度为2-10mg/L的头孢他啶溶液中，在10-30℃条件下震荡吸附20-24h，离心使固液分离；污泥基生物质水热炭吸附剂投加量为0.5-2.5g/L。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)中的温度为180℃、时间为3h。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(2)中投加量为1g/L，吸附温度为15℃。
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