CN116803927A - 一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本申请属于水处理技术领域，尤其涉及一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法及其设备；本申请提供的微塑料和藻类复合污染水源处理方法中通过加入生物炭能很好地与微塑料进行异质聚集，促使微塑料沉降，可以抑制藻细胞的生长并杀死，能吸附藻细胞因损伤后释放的氨基酸和藻毒素等含氮类消毒副产物前驱物，可以吸附水中部分氨氮，减少液氯消毒时生成的氯胺，从而解决现有技术中去除水体中微塑料、藻类及生成的含氮消毒副产物的效果有待提高的技术问题。

Description

一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法及其设备
技术领域
本申请属于水处理技术领域，尤其涉及一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法及其设备。
背景技术
在处理水体中的藻类工艺中，人们通过化学预氧化(如臭氧、氯、二氧化氯、高锰酸盐、高铁酸盐、紫外/氯、紫外)的方式，改变藻细胞的zeta电位和藻细胞的结构使其失活，进而促进藻细胞及其有机物的凝聚，达到降低藻类污染的目的；但是，大部分预氧化方式是通过破坏藻类细胞的细胞壁和细胞膜，使其裂解或部分裂解来达到去除藻类的目的，正因为藻类细胞结构的破坏，导致了藻细胞胞内的有机物(IOM)得到释放，尤其是胞内的含氮有机物，包括藻毒素、含氮类消毒副产物(N-DBPs)前驱物等，这些在预氧化过程中释放的胞内的有机物(IOM)具有极大地潜力在消毒过程中与消毒剂发生反应，发展成对人类产生危害的含氮类消毒副产物(N-DBPs)，例如氨基酸这类含氮有机物会在液氯/氯胺消毒过程中反应生成含氮消毒副产物(N-DBPs)，其中典型的就是N-亚硝基二甲胺(NDMA)。
在水体中微塑料处理工艺中，常用混凝沉淀去除，通过投加常规絮凝剂，使微塑料与絮凝剂聚集沉淀，但这种技术对于微塑料的去除率并不高，并且微塑料的沉降时间比较长，初次沉淀的效果并不理想；投加化学絮凝剂可以大大增加去除率，但对于更小、更光滑的微塑料去除效果并不好，且会产生大量污泥，对于水体也有一定的pH值的要求，易造成二次污染；也有利用动态生物膜去除微塑料，但有一定的适用范围，仅对于含有低浓度微塑料的水体有效，对于大颗粒的微塑料，可能会堵塞模孔，堵塞模孔时需要反冲洗，高压反冲洗可能导致微塑料透过膜进入废水中，不能有效截留，这种技术的效率比较低，维护成本也比较高，利用反渗透膜技术去除微塑料时，对于大颗粒的微塑料能有效去除，但是对于小颗粒的微塑料去除效果比较差，并且这种技术所需的能源高，通量也比较低，也容易造成膜污染；因此，现有技术中去除水体中微塑料、藻类及生成的含氮消毒副产物的效果不高。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法及其设备，用于解决现有技术中去除水体中微塑料、藻类及生成的含氮消毒副产物的效果有待提高的技术问题。
本申请第一方面提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理方法包括步骤：
步骤S1、将生物炭、预氧化剂以及混凝剂与待处理污染水源混合后进行混凝-沉淀处理，得到生物炭处理的水源；
步骤S2、取生物炭处理的水源的上清液，得到初步处理水源。
优选的，步骤S2之后，还包括步骤S3、将消毒剂和初步处理水源混合后进行消毒，得到净化水源。
优选的，步骤S1中，所述生物炭选自玉米秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭以及花生壳生物炭。
优选的，所述生物炭选自玉米秸秆生物炭，所述待处理污染水源为含有氨氮的待处理污染水源。
优选的，步骤S1中，所述生物炭的制备方法包括：将预处理的生物质进行炭化、研磨，得到生物炭。
优选的，所述预处理的生物质包括：将生物质依次进行洗涤、干燥和研磨，得到预处理的生物质；
所述炭化的温度为300～500℃，时间为1～3h，气氛为二氧化碳；
所述研磨为采用研磨机进行研磨。
优选的，步骤S1中，还包括对待处理污染水源进行微塑料和藻类含量检测，所述待处理污染水源中微塑料含量0～50000ind/m3，藻类含量不大于104cells/L时，每升待处理污染水源中生物炭的用量为5-100mg。
优选的，步骤S1中，还包括对待处理污染水源进行微塑料和藻类含量检测，所述待处理污染水源中微塑料含量不大于5000ind/m3，藻类含量不大于104cells/L时，每升待处理污染水源中生物炭的用量为5-10mg。
优选的，步骤S1中，还包括对待处理污染水源进行微塑料和藻类含量检测，所述待处理污染水源中微塑料含量5000-10000ind/m3，藻类含量不大于104cells/L时，每升待处理污染水源中生物炭的用量为10-50mg。
优选的，步骤S1中，还包括对待处理污染水源进行微塑料和藻类含量检测，所述待处理污染水源中微塑料含量10000-20000ind/m3，藻类含量104-105cells/L时，每升待处理污染水源中生物炭的用量为50-80mg。
优选的，步骤S1中，还包括对待处理污染水源进行微塑料和藻类含量检测，所述待处理污染水源中微塑料含量不大于20000-40000ind/m3，藻类含量105-106cells/L时，每升待处理污染水源中生物炭的用量为80-100mg。
步骤S2中，所述预氧化剂选自臭氧、氯、二氧化氯、高锰酸盐、高铁酸盐中的至少一种；
所述混凝剂选自硫酸铝；
步骤S3中，所述消毒剂选自液氯。
本申请第二方面提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理设备，所述设备包括依次连通的污水池、加药单元、网格絮凝单元、沉淀单元、过滤单元、消毒单元以及清水池。
优选的，所述微塑料和藻类复合污染水源的处理设备还包括吸水井和二级泵站；
所述清水池、吸水井和二级泵站依次连通。
综上所述，本申请提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法及其设备，本申请提供的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法加入了生物炭，利用生物炭孔隙结构发达和比表面积大、丰富的官能团以及炭结构牢固的优点，在往待处理污染水源中投加生物炭后，混合增加水中颗粒的碰撞机会，进而使微塑料更容易被吸附在生物炭的表面或孔隙内，提高了对水体中微塑料的去除效果；同时生物炭发达的孔隙结构不仅能有效吸附藻类细胞，并且还吸附藻类细胞因预氧化剂氧化处理损伤后释放的氨基酸和藻毒素等N-DBPs前驱物，进而在消毒过程中减少N-DBPs的生成，吸附氨氮减少液氯等氧化剂消毒过程中氯胺的产生，进而从源头上减少氯胺与氨基酸、藻毒素等含氮类消毒副产物的前驱物的反应生成含氮消毒副产物，更重要的是，在往待处理污染水源中投加生物炭后，生物炭还能作为催化剂，与氧化剂协同，催化预氧化过程中的反应，提高预氧化的效率，从而解决现有技术中去除水体中微塑料、藻类及生成的含氮消毒副产物的效果有待提高的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例2提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理设备的结构示意图；
图2为本申请实施例1和对比例1提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法藻类去除效果的对比示意图；
图3为本申请实施例1和对比例1提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法微塑料去除效果的对比示意图；
图4为本申请实施例1-3提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法中不同生物炭对氨氮的去除效果对比示意图；
图5为本申请实施例1-3提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法中不同生物炭对微塑料和藻类的去除率对比示意图；
图6为本申请实施例1、6和对比例1-2提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法在预氧化步骤中检测的含氮消毒副产物的浓度对比示意图；
图7为本申请实施例1、6和对比例1-2提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法在消毒步骤中检测的含氮消毒副产物的浓度对比示意图；
图8为本申请实施例7提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法藻类和微塑料去除效果的对比示意图；
图9为本申请实施例1、8提供的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法藻类和微塑料去除效果的对比示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法及其设备，用于解决现有技术中去除水体中微塑料、藻类及生成的含氮消毒副产物的效果有待提高的技术问题。
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
鉴于目前污染水体中微塑料、藻类细胞及其生成的含氮类消毒副产物的处理方式存在的缺陷，本申请实施例1提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程包括预氧化步骤、过滤步骤以及消毒步骤。
预氧化步骤包括：按照100mg/L的生物炭和0.8mg/L的絮凝剂的投加量，将玉米秸秆生物炭、硫酸铝与500ml待处理污染水源混合，并通入2.0mg/L臭氧作为预氧化剂后，将生物炭、预氧化剂以及混凝剂与待处理污染水源以150rpm的转速进行搅拌，搅拌时间为15min，停止搅拌，让水体自由沉淀45min，经过混凝-沉淀处理，得到生物炭处理的水源。
过滤步骤包括：过滤所述生物炭处理的水源，将生物炭、藻和微塑料的絮体截留，得到净化水源。
消毒步骤包括：将液氯作为消毒剂与净化水源混合后反应3天。
优选的，生物炭、絮凝剂与待处理污染水源混合前，还包括通过藻类分析仪检测水体中含有的藻细胞浓度；通过傅里叶变换红外光谱分析法(FTIR)与显微镜结合检测微塑料的含量的步骤；通过检测的藻细胞浓度和微塑料的含量确定生物炭的投加量，通过精确生物炭投加量可以减少生物炭的浪费，生物炭投加量如表1所示。
表1
对比例1
本申请对比例1提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程包括预氧化步骤、过滤步骤以及消毒步骤。
按照0.8mg/L的絮凝剂的投加量，将硫酸铝与500ml待处理污染水源混合，并通入2.0mg/L臭氧作为预氧化剂后，将生物炭、预氧化剂以及混凝剂与待处理污染水源以150rpm的转速进行搅拌，搅拌时间为15min，停止搅拌，让水体自由沉淀45min，经过混凝-沉淀处理，得到生物炭处理的水源。
过滤所述生物炭处理的水源，将藻和微塑料的絮体截留，得到净化水源。
消毒步骤包括：将液氯作为消毒剂与净化水源混合后反应3天。
实施例2
本申请实施例2提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程与实施例1的区别在于：施加的生物炭为小麦秸秆生物炭。
实施例3
本申请实施例3提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程与实施例1的区别在于：施加的生物炭为花生壳生物炭。
实施例4
本申请实施例4提供了实现实施例1-3所述微塑料和藻类复合污染水源的处理方法的设备，设备结构如图1所示，包括依次连通的污水池、加药单元、网格絮凝单元、沉淀单元、过滤单元、消毒单元以及清水池，且清水池、吸水井和二级泵站依次连通。
污水池用于储存待处理污染水源，加药单元用于施加生物炭、预氧化剂以及混凝剂，网格絮凝单元和沉淀单元用于絮凝沉淀微塑料、藻的絮体，过滤单元用于截留生物炭、藻和微塑料的絮体，消毒单元用于施加消毒剂，清水池用于储存经过去除微塑料、藻类及生成的含氮消毒副产物的净化水源，吸水井和二级泵站用于下游供水。
实施例5
本申请实施例5提供了实施例所述玉米秸秆生物炭的制备方法，制备方法包括预处理的步骤、炭化的步骤以及研磨的步骤。
预处理的步骤包括：对玉米秸秆进行冲洗，洗去附着在表面的泥土和灰尘，放入烘箱进行烘干，直至表面干燥无水分，将洗干净的玉米结案放入研磨机内研磨成粉末后取出，过100目标准筛装袋封好，保持干燥。
炭化的步骤包括：将玉米秸秆粉末倒入坩埚内，轻轻震动，使坩埚内原料表面保持平整，并盖好坩埚盖，将装有玉米秸秆粉末的坩埚放入马弗炉内，持续通入CO2，设置马弗炉运行温度为400℃；升温速率为5℃/min；煅烧时间为2h，进行炭化。
研磨的步骤包括：待马弗炉温度降至室温后，切断电源，取出坩埚并对玉米秸秆生物炭用石英钵进行研磨，过100目标准筛后密封保存，获得玉米秸秆生物炭样品。
需要说明的是，本申请实施例所述小麦秸秆生物炭和花生壳生物炭的制备与玉米秸秆生物炭的制备一致。
实施例6
本申请实施例7提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程包括预氧化步骤、过滤步骤以及消毒步骤，处理流程与实施例1的区别在于，分别通入0mg/L、0.4mg/L和1.0mg/L臭氧作为预氧化剂进行处理。
对比例2
本申请对比例2提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程包括预氧化步骤、过滤步骤以及消毒步骤，处理流程与对比例1的区别在于，分别通入0mg/L、0.4mg/L和1.0mg/L臭氧作为预氧化剂进行处理。
实施例7
本申请实施例7提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程包括预氧化步骤、过滤步骤以及消毒步骤，处理流程与实施例1的区别在于，原水中污染物浓度为：微塑料0-5000ind/m3；藻细胞<104cells/L，以及分别按照1mg/L、3mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L的生物炭和0.8mg/L的絮凝剂的投加量，将玉米秸秆生物炭、硫酸铝与500ml待处理污染水源混合。
实施例8
本申请实施例8提供了一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，处理流程包括预氧化步骤、过滤步骤以及消毒步骤，处理流程与实施例1的区别在于，将生物炭、预氧化剂以及混凝剂与待处理污染水源以150rpm的转速进行搅拌，搅拌时间分别为6min、9min、12min、18min、21min、30min，停止搅拌，让水体自由沉淀45min，经过混凝-沉淀处理，得到生物炭处理的水源。
测试例1
本测试例1用于测试实施例和对比例所述微塑料和藻类复合污染水源的处理方法的效果；其中，氨氮的含量通过奈氏试剂比色法检测；藻细胞浓度通过藻类分析仪检测；微塑料的含量通过傅里叶变换红外光谱分析法(FTIR)与显微镜结合检测，含氮类消毒副产物通过气相色谱法检测。
其中，实施例1和对比例1所述微塑料和藻类复合污染水源的处理方法的效果图2-5所述。
从图2可以看出，实施例1提供的处理方法投加了生物炭后的除藻效果比未投加的除藻效果要好，而且，在投入生物炭后，预氧化的速率明显加快，在未投入生物炭时反应约在40min时趋于平稳，在投入生物炭后，反应在20min时趋于平稳，这也体现了生物炭催化预氧化剂的性能。
从图3可以看出，实施例1提供的处理方法投加了新型生物炭后，微塑料的去除效果明显变好，其原因可能是因为，该种新型生物炭的投加使得微塑料吸附在了生物炭的表面，使得不易沉降的微塑料与易沉降的生物炭进行结合形成了容易沉淀的团聚体，从而得到了较好的去除效果。
实施例1-3所述不同生物炭处理微塑料和藻类复合污染水源的效果图4所示，从图4可以看出，不同的生物炭对氨氮的吸附效果也各不相同，玉米秸秆生物炭体现出了最强的吸附效果，其次是小麦秸秆生物炭，最后是花生壳生物炭。故在往后的处理中，当我们需要对氨氮具有良好吸附效果的生物炭时，可选用玉米秸秆生物炭，并且从图5可以看出，玉米秸秆生物炭对微塑料和藻类的去除效果也优于小麦秸秆生物炭，最后是花生壳生物炭，基于此实验结果，对于微塑料和藻类复合污染水源，优选玉米秸秆生物炭。
从图6可以看出，与对比例1-2相比，实施例1、6提供的处理方法投加了新型生物炭后，在预氧化过程中，大部分含氮消毒副产物的生成量会随着臭氧浓度的增大而增加，尤其是DCAN、TCAN、DCNM增幅更为明显。对比ab二图，我们可以很明显看出，在投加了生物炭后，N-DBPs的生成得到了有效的控制，特别是DCAN、TCAN、DCNM、DCAcAm的生成量均下降了20％以上。这也进一步验证了投加该种生物炭对控制N-DBPs的有效性，而随着臭氧用量的提高，去除效果也随之提高，投入2.0mg/L臭氧能取得较好的效果。
从图7可以看出，与对比例1-2相比，实施例1、6提供的处理方法投加了新型生物炭后，在消毒步骤中，投加了生物炭后生成的N-DBPs得到了有效的控制，相较于对照组，除DCNM外其他N-DBPs均有明显的减少，减少率都在40％以上。这也进一步验证了投加生物炭对控制N-DBPs是一种有效的方式，而随着臭氧用量的提高，去除效果也随之提高，投入2.0mg/L臭氧能取得较好的效果。
从图8可以看出，生物炭处理微塑料和藻类复合污染水源的过程中，随着生物炭添加量的提高，去除效果也随之提高，这是由于生物炭能使微塑料和藻类更好的沉降，生物炭的投加量的增加增大生物炭在该体系中的吸附效果，因此，，投入100mg/L生物炭能取得较好的效果。
从图9可以看出，生物炭处理微塑料和藻类复合污染水源的过程中，在一定时间内，随着搅拌时间的延长，去除效果也随之提高，这是由于搅拌会促进微塑料和藻类形成易沉降的颗粒，而当超过一定时间15min后，去除效果下降，这是由于搅拌时间过长会导致颗粒因被搅拌而破碎。
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S1、将生物炭、预氧化剂以及混凝剂与待处理污染水源混合后进行混凝沉淀处理，得到生物炭处理的水源；
步骤S2、取生物炭处理的水源的上清液，得到初步处理水源。
2.根据权利要求1所述的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，步骤S2之后，还包括步骤S3、将消毒剂和初步处理水源混合后进行消毒，得到净化水源。
3.根据权利要求1所述的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，步骤S1中，所述生物炭的制备方法包括：将预处理的生物质进行炭化、研磨，得到生物炭；
所述炭化的温度为300～500℃，时间为1～3h，气氛为二氧化碳；
所述研磨为采用石英钵进行研磨。
4.根据根据权利要求1所述的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，步骤S1中，混凝沉淀处理具体包括：将100mg/L生物炭、2mg/L臭氧以及混凝剂与待处理污染水源以150rpm的转速进行搅拌，搅拌时间为15min，停止搅拌，让水体自由沉淀45min，经过混凝沉淀处理，得到生物炭处理的水源。
5.根据权利要求1所述的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，步骤S1中，所述生物炭选自玉米秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭以及花生壳生物炭。
6.根据权利要求5所述的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，所述生物炭选自玉米秸秆生物炭，所述待处理污染水源为含有微塑料和藻类的复合待处理污染水源。
7.根据权利要求1所述的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，步骤S1中，还包括对待处理污染水源进行微塑料和藻类含量检测，所述待处理污染水源中微塑料含量0～50000ind/m3，藻类含量不大于104cells/L时，每升待处理污染水源中生物炭的用量为5～100mg。
8.根据权利要求2所述的一种微塑料和藻类复合污染水源的处理方法，其特征在于，步骤S2中，所述预氧化剂选自臭氧、氯、二氧化氯、高锰酸盐、高铁酸盐中的至少一种；
所述混凝剂选自硫酸铝；
步骤S3中，所述消毒剂选自液氯。
9.一种实现权利要求1-8任一项所述的微塑料和藻类复合污染水源的处理方法的设备，其特征在于，包括依次连通的污水池、加药单元、网格絮凝单元、沉淀单元、过滤单元、消毒单元以及清水池。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述微塑料和藻类复合污染水源的处理设备还包括吸水井和二级泵站；
所述清水池、吸水井和二级泵站依次连通。
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