CN110015745A - 一种利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，本发明涉及一种水处理方法，它是解决目前水处理常用的氧化剂高铁酸盐、高锰酸盐、臭氧和过硫酸盐处理水中的污染物时去除效果差，总有机物去除效率低的问题。去除水中污染物的方法：一、向待处理水体中投加生物炭，得到含有生物炭的水体；二、搅拌含有生物炭的水体，同时加入氧化剂进行反应；三、待反应结束后，对处理后的水体过滤，完成水体中污染物的去除。本发明基于强化的氧化作用和提高的吸附性能，生物炭与氧化剂复合作用后可以使源水中典型有机污染物的去除率达90％以上，TOC去除率达50％以上，或使污水中COD含量降低60％～90％。
Description
技术领域
本发明涉及一种水处理方法，具体涉及一种利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法。
背景技术
高铁酸盐、高锰酸盐、臭氧和过硫酸盐与有机物反应时均具有一定的选择性，在去除水体中的有机污染物时只能选择性地氧化部分有机污染物(含富电子基团)。如高铁酸盐与含硫含氮基团的有机物反应活性更强，高锰酸盐趋向于与酚类有机物反应等。而且这些氧化物氧化降解有机物时大多数只是结构和分子量的变化，矿化程度不高。该特性限制了这些氧化剂在有机污染物控制方面的应用，因此有必要开发强化这些氧化剂去除有机污染物能力的方法。
高铁酸盐与高锰酸盐与某些还原性的物质反应时，并不是直接形成稳定的终产物三价铁氧化物和二氧化锰，而是经过一电子或两电子转移过程形成一些具有氧化能力和反应活性更强的中间态铁、锰氧化物。这些中间态的铁、锰氧化物的稳定性较差，但是在某些络合剂的存在条件下，其稳定性得到增强，因此大幅度的提高其存续能力和对污染物的氧化降解能力。
高锰酸盐、臭氧、高铁酸盐、过硫酸盐等氧化降解水体中的有机污染物时，能够有效地转化污染物的分子结构(降解为小分子或发生聚合反应生成大分子物质)并减小其生物毒性，但是其大部分的氧化产物仍然赋存于水体中。一方面，部分以小分子形式存在的氧化产物很容易被水体中微生物消耗利用，因此影响了水体的生物稳定性；另一方面，部分氧化产物有可能是消毒副产物的前驱物，因而水处理消毒过程中会导致大量消毒副产物的形成。因此，氧化剂氧化处理后有效地去除水体中残留的有机物对水体水质和稳定性的提高有十分重要的意义。
生物炭是生物有机材料(生物质，如动物粪便，动物骨头，植物根茎，木屑和麦秸秆等)在缺氧或绝氧环境中，经高温裂解后生成的固态产物。目前主要作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等。由于生物炭的裂解温度相对不是很高(250～500℃，活性炭的裂解温度为600～900℃)，其分子结构中不饱和成分含量相对较高，因此具有一定的还原能力；但是相比于活性炭，生物炭表面的微孔数量少，孔径大，直接应用于水处理去除有机污染物和重金属污染物时，存在去除效率低，吸附容量小等问题。
发明内容
本发明的目的是解决目前水处理常用的氧化剂高铁酸盐、高锰酸盐、臭氧和过硫酸盐处理水中的污染物时去除效果差，总有机物去除效率低的问题，而提供一种利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法。
本发明利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法按下列步骤实现：
一、向待处理水体中投加生物炭，得到含有生物炭的水体；
二、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入氧化剂进行反应；
三、待反应结束后，对处理后的水体过滤，完成水体中污染物的去除；
其中所述的氧化剂为高铁酸盐、高锰酸盐、臭氧或过硫酸盐。
本发明利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法包括以下有益效果：
(1)巧妙利用了生物炭的还原性，其与各氧化剂反应后会产生多种反应活性更强的亚稳态氧化物，具体包括与高铁酸盐反应产生中间态铁，与高锰酸盐反应产生中间态锰，与臭氧反应产生单线态氧和羟基自由基等，与过硫酸盐反应产生单线态氧、硫酸根自由基和羟基自由基等；
(2)生物炭被氧化后，表面产生大量的羟基或羧基官能团，这些原位产生的官能团在生物炭主体结构的支撑下，具有络合、稳定亚稳态氧化物种的功能，如生物炭与高锰酸盐反应产生的三价锰在生物炭表面的半衰期比其在水溶液中的半衰期长10倍以上；
(3)生物炭与氧化剂反应后生物炭表面微孔数量增加2～5倍，比表面积增加3～6倍，吸附性能提高2～8倍；
(4)基于强化的氧化作用和提高的吸附性能，生物炭与氧化剂复合作用后可以使源水中典型有机污染物的去除率达90％以上，TOC去除率达50％以上，或使污水中COD含量降低60％～90％，或使铅、砷、铊、镉等重金属污染物的去除率达80％以上，氧化剂的投加量减少20％～60％。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法按下列步骤实现：
一、向待处理水体中投加生物炭，得到含有生物炭的水体；
二、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入氧化剂进行反应；
三、待反应结束后，对处理后的水体过滤，完成水体中污染物的去除；
其中所述的氧化剂为高铁酸盐、高锰酸盐、臭氧或过硫酸盐。
本实施方式生物炭与氧化剂反应后产生了多种反应活性更强的亚稳态氧化物，具体包括与高铁酸盐反应产生中间态铁，与高锰酸盐反应产生中间态锰，与臭氧反应产生单线态氧和羟基自由基等，与过硫酸盐反应产生单线态氧、硫酸根自由基和羟基自由基等。而通过生物炭的络合稳定作用，系统产生的亚稳态氧化物种的半衰期增加2～15倍。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一所述的待处理水为饮用地表水、饮用地下水、生活污水或工业废水。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是待处理水中的污染物为微量(持久性)有机污染物、腐殖酸类有机污染物、富里酸类有机污染物、蛋白质类有机污染物或重金属污染物。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中向待处理水体中投加0.1～1000mg/L的生物炭。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中所述的生物炭为农林废弃物在无氧条件下以250～500℃高温处理产生的固态产物。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是所述的农林废弃物为木材、稻草、麦秆、种壳或粪便。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中按照0.1～100mg/L的比例加入氧化剂进行反应。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中加入氧化剂进行反应的时间为1～120min。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中采用石英砂、滤布或金属丝网从处理后的水体过滤出生物炭。
本实施方式还可以采用无烟煤、高分子膜、硅藻土等方式从处理后的水体中将生物炭过滤出来。
实施例一：本实施例利用生物炭强化高锰酸钾作用去除水中磺胺甲恶唑的方法按下列步骤实现：
一、测定待处理水中磺胺甲恶唑的浓度，其初始浓度为2.5mg/L，溶解性总有机物浓度(TOC)为5mg/L；
二、向待处理水体中投加50mg/L的生物炭，得到含有生物炭的水体；
三、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入15mg/L的高锰酸钾进行反应60min；
四、待反应结束后，将处理后的水体过滤，测定其所含污染物的剩余浓度，溶解性有机污染物的剩余浓度，计算去除率。
本实施例中磺胺甲恶唑的去除率为95％以上，溶解性总有机物的去除率为56％以上。
实施例二：本实施例利用生物炭强化高铁酸钾作用去除水中卡马西平的方法按下列步骤实现：
一、测定待处理水中卡马西平的浓度，其初始浓度为1.5mg/L，溶解性总有机物浓度(TOC)为8mg/L；
二、向待处理水体中投加25mg/L的生物炭，得到含有生物炭的水体；
三、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入10mg/L的高铁酸钾进行反应30min；
四、待反应结束后，将处理后的水体过滤，测定其所含污染物的剩余浓度，溶解性有机污染物的剩余浓度，计算去除率。
本实施例中卡马西平的去除率为96％以上，溶解性总有机物的去除率为75％以上。
实施例三：本实施例利用生物炭强化高锰酸钾作用去除水中铅和镉的方法按下列步骤实现：
一、测定待处理水中铅和镉的浓度，其初始浓度分别为1mg/L和0.5mg/L，溶解性总有机物浓度(TOC)为6mg/L；
二、向待处理水体中投加25mg/L的生物炭，得到含有生物炭的水体；
三、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入2mg/L的高锰酸钾进行反应30min；
四、待反应结束后，将处理后的水体过滤，测定其所含污染物的剩余浓度，溶解性有机污染物的剩余浓度，计算去除率。
本实施例中铅的去除率为90％以上，镉的去除率为85％，溶解性总有机物的去除率为80％以上。
实施例四：本实施例利用生物炭强化高锰酸钾作用去除工业废水中COD的方法按下列步骤实现：
一、测定待处理水中COD的浓度，其初始浓度为500mg/L；
二、向待处理水体中投加50mg/L的生物炭，得到含有生物炭的水体；
三、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入10mg/L的高锰酸钾进行反应30min；
四、待反应结束后，将处理后的水体过滤，测定其所含污染物的剩余浓度，溶解性有机污染物的剩余浓度，计算去除率。
本实施例中COD的去除率为90％以上。
实施例五：本实施例利用生物炭强化臭氧作用去除饮用水中硝基酚的方法按下列步骤实现：
一、测定待处理水中硝基酚的浓度，其初始浓度为0.05mg/L；
二、向待处理水体中投加10mg/L的生物炭，得到含有生物炭的水体；
三、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时通入5mg/L的臭氧进行反应30min；
四、待反应结束后，将处理后的水体过滤，测定其所含污染物的剩余浓度，溶解性有机污染物的剩余浓度，计算去除率。
本实施例中硝基酚的去除率为95％以上，溶解性有机污染物的去除率为70％。
实施例六：本实施例利用生物炭强化过硫酸钠作用去除饮用水中布洛芬的方法按下列步骤实现：
一、测定待处理水中布洛芬的浓度，其初始浓度为0.80mg/L；
二、向待处理水体中投加10mg/L的生物炭，得到含有生物炭的水体；
三、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入5mg/L的过硫酸钠进行反应60min；
四、待反应结束后，将处理后的水体过滤，测定其所含污染物的剩余浓度，溶解性有机污染物的剩余浓度，计算去除率。
本实施例中布洛芬的去除率为90％以上，溶解性有机污染物的去除率为60％。
实施例七：本实施例利用生物炭强化高铁酸钾作用去除饮用水中腐殖酸和砷酸盐的方法按下列步骤实现：
一、测定待处理水中腐殖酸和砷酸盐的浓度，其初始浓度分别为3.0mg/L和0.08mg/L；
二、向待处理水体中投加10mg/L的生物炭，得到含有生物炭的水体；
三、(快速)搅拌含有生物炭的水体，同时加入2mg/L的高铁酸钾进行反应30min；
四、待反应结束后，将处理后的水体过滤，测定其所含污染物的剩余浓度，溶解性有机污染物的剩余浓度，计算去除率。
本实施例中砷酸盐的去除率为99％以上，腐殖酸的去除率为80％，溶解性有机污染物的去除率为75％。
Claims (9)
1.利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于该方法按下列步骤实现：
一、向待处理水体中投加生物炭，得到含有生物炭的水体；
二、搅拌含有生物炭的水体，同时加入氧化剂进行反应；
三、待反应结束后，对处理后的水体过滤，完成水体中污染物的去除；
其中所述的氧化剂为高铁酸盐、高锰酸盐、臭氧或过硫酸盐。
2.根据权利要求1所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于步骤一所述的待处理水为饮用地表水、饮用地下水、生活污水或工业废水。
3.根据权利要求1所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于待处理水中的污染物为微量有机污染物、腐殖酸类有机污染物、富里酸类有机污染物、蛋白质类有机污染物或重金属污染物。
4.根据权利要求1所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于步骤一中向待处理水体中投加0.1～1000mg/L的生物炭。
5.根据权利要求1所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于步骤一中所述的生物炭为农林废弃物在无氧条件下以250～500℃高温处理产生的固态产物。
6.根据权利要求5所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于所述的农林废弃物为木材、稻草、麦秆、种壳或粪便。
7.根据权利要求1所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于步骤二中按照0.1～100mg/L的加入氧化剂进行反应。
8.根据权利要求1所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于步骤二中加入氧化剂进行反应的时间为1～120min。
9.根据权利要求1所述的利用生物炭强化氧化剂作用去除水中污染物的方法，其特征在于步骤三中采用石英砂、滤布或金属丝网从处理后的水体过滤出生物炭。
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