一種生物質(zhì)炭基磁性活性污泥的制備及其在含鈾廢水處理中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于資源利用與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種生物質(zhì)炭基磁性活性污泥的制備方法及其在含鈾廢水處理中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]活性污泥處理廢水法是1912年由英國科學(xué)家Clark和Gage聯(lián)合研究發(fā)明的，具體是一種利用人工馴化培養(yǎng)的微生物群體在人工強(qiáng)化的環(huán)境中呈懸浮狀態(tài)生長后，分泌出能夠氧化廢水中可生物降解的有機(jī)物質(zhì)，從而達(dá)到廢水凈化的目的。它不僅可以從廢水中去除溶解性的或者膠體狀的生化有機(jī)物以及能夠被活性污泥吸附的懸浮固體及其他一些有毒有害物質(zhì)，同時(shí)也可以去除一部分含磷和氮等富營養(yǎng)物質(zhì)。目前，活性污泥法及其衍生的各種改良工藝已經(jīng)成為處理廢水最為廣泛的方法。
[0003]但是，隨著活性污泥處理廢水技術(shù)在實(shí)際工程中的大量應(yīng)用，人們也發(fā)現(xiàn)其存在一些缺陷，如傳統(tǒng)的活性污泥法往往工程基建費(fèi)、日常運(yùn)行費(fèi)高，能耗大，在廢水處理過程中易出現(xiàn)污泥膨脹而活性失效等，以及廢水處理工藝設(shè)備不能滿足高效低耗的要求。同時(shí)，廢水處理會(huì)有大量的污泥產(chǎn)生，需要二次無害化處理，從而增加了投資成本。隨著我國環(huán)保制度的逐漸完善，廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷嚴(yán)格，以傳統(tǒng)的活性污泥法為主的脫氮除磷功能的廢水處理工藝，難以達(dá)標(biāo)。因此，利用活性污泥進(jìn)行功能化改性，并將其開發(fā)為各類廢水處理過程中所應(yīng)用的功能材料，從而提高其附加值，這將具有較大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐價(jià)值。
[0004]磁性物質(zhì)可以對(duì)活性污泥中的微生物產(chǎn)生一定的磁性生物效應(yīng)，有效提高微生物的生物活性，加快廢水中有毒有害污染物的生化反應(yīng)速率，從而提高了活性污泥處理廢水的效率。但是，目前大部分工藝只是在活性污泥中投放單一的磁性粉體/粉末，其吸附能力較弱而不能高效固定或者催化微生物的生物活性。同時(shí)，這些單一的磁粉在長期的磁場作用下容易產(chǎn)生記憶性磁性，并在活性污泥中發(fā)生物理性團(tuán)聚而失去原有的功效。納米磁性氧化鐵材料是目前一種被廣泛應(yīng)用的、吸附性能優(yōu)良的磁性吸附劑，具有生物相容性能好，比表面積大，對(duì)外加磁場具有高響應(yīng)性等特點(diǎn)，可以在與活性污泥共存條件下改善污泥的絮凝性能，并不會(huì)在污泥中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。以納米磁性氧化鐵作為輔助材料制備集吸附-磁性分離于一體的磁性活性污泥吸附材料已經(jīng)成為近年來廢水處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
[0005]然而，磁性活性污泥在制備過程中通常會(huì)使用一些物理、化學(xué)粘結(jié)劑對(duì)其進(jìn)行磁性固定，而這些化學(xué)粘結(jié)劑的存在就容易造成磁性活性污泥孔隙的堵塞，在工業(yè)化生產(chǎn)過程中稍稍操作不慎，其比表面積就十分容易降低，而且磁性材料很難與活性污泥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，只是分布在活性污泥結(jié)構(gòu)表面或者孔隙內(nèi)的表壁，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，又容易造成孔隙再次堵塞，進(jìn)而減少其比表面積。同時(shí)，目前大部分磁性活性污泥的磁性強(qiáng)度均較小，磁性能較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種生物質(zhì)炭基磁性污泥的制備方法。首先將稻殼、花生殼和鋸木肩等其中一種自然資源生物質(zhì)為基底，按照一定的質(zhì)量比加入鐵源和碳源，采用共沉淀法生成生物質(zhì)炭基磁性納米Fe304。再使用啤酒酵母菌、淀粉和活性劑對(duì)活性污泥進(jìn)行功能性發(fā)泡活化，隨后與生物質(zhì)炭基磁性納米Fe3O4進(jìn)行磁性接合，得到一種以生物質(zhì)炭為基底，磁性納米Fe3O4為核，功能性活化后的活性污泥為殼的新型功能吸附材料，并將其應(yīng)用于含鈾廢水處理中。具體步驟如下:
(I)生物質(zhì)炭的制備
將稻殼、花生殼和鋸木肩等其中一種自然生物質(zhì)在自然條件下曬干后，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后，放入馬弗爐中在無氧密封條件下受熱分解后，恒溫靜置、冷卻，研磨，得到粉末狀的生物質(zhì)炭。
[0007](2)生物質(zhì)炭基磁性納米Fe3O4的制備
分別稱取一定質(zhì)量的FeS04.7H20和FeCl3.6H20，且按照Fe2+與Fe3+的一定摩爾比，置于裝有150 mL去離子水的500 mL三口燒杯中，再加入一定質(zhì)量的糖類物質(zhì)，之后置于50 °(:恒溫水浴箱中磁力攪拌30 min，形成混合均勻的鐵離子溶液。然后往鐵離子溶液中加入一定質(zhì)量的生物質(zhì)炭粉，常溫下繼續(xù)磁力攪拌20 min，并逐滴加入質(zhì)量濃度為25%的氨水作為沉淀劑，調(diào)至溶液的PH值為10，并快速攪拌開始產(chǎn)生黑色沉淀，然后將三口燒杯置于80 °(:恒溫水浴箱中加熱熟化45 min，且在熟化的過程中鐵離子在堿性條件下得到納米Fe304，并附著在生物質(zhì)炭基上結(jié)晶成核生成Fe3(k粒子。使用Nd-Fe-B永久性磁鐵收集Fe3(k粒子，并棄掉剩余液，再分別使用質(zhì)量濃度為25%的氨水洗滌2次，去離子水洗滌3次后，將Fe3O4粒子置于80 °C恒溫干燥箱中烘干至恒重，即生成生物質(zhì)炭基磁性納米Fe304。
[0008](3)活性污泥的預(yù)處理及其功能性活化
對(duì)取自污水處理廠曝氣池中的活性污泥進(jìn)行煮沸處理，過濾、在自然條件下風(fēng)干后，破碎研磨成干污泥粉。對(duì)取自某啤酒廠的啤酒酵母廢棄菌絲體進(jìn)行篩分，高溫滅菌后，反復(fù)研磨，得到所需的啤酒酵母菌粉。
[0009]稱取一定質(zhì)量的啤酒酵母菌粉與一定質(zhì)量的淀粉均勻混合，加入裝有100mL去離子水的250 mL燒杯中，充分混合I h后，得到啤酒酵母菌一淀粉發(fā)酵懸浮液。隨后向懸浮液中按照一定固液質(zhì)量比加入一定質(zhì)量的干污泥粉和一定摩爾濃度的活化劑，隨后將其置于80 °(:恒溫水浴箱內(nèi)進(jìn)行加熱2 h，且在加熱過程中進(jìn)行磁力攪拌，接著置于70 °(:烘箱內(nèi)進(jìn)行烘烤0.5 h，然后將烘干結(jié)束得到的功能性活性污泥轉(zhuǎn)入坩禍中，并將其置于管式電阻爐熱解，冷卻后取出，使用0.1 mol/L的HCl溶液清洗熱解產(chǎn)物3次，接著使用去離子水重復(fù)洗滌5次后放入70 V恒溫干燥箱內(nèi)恒溫干燥至恒重，研磨，即可得到功能性活性污泥粉。
[0010](4)生物質(zhì)炭基磁性污泥的制備
稱取一定質(zhì)量的功能性活性污泥粉裝入250 mL的燒杯中，分別加入50mL無水乙醇和100 mL去離子水使其浸泡25 min，得到活性污泥懸浮液，再將一定質(zhì)量的生物質(zhì)炭基磁性納米Fe3O4和一定質(zhì)量的羧基纖維素鈉加入燒杯中并不斷超聲分散，使其均勻分散在活性污泥懸浮液中，并調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的PH值至11，然后在50 °(:恒溫水浴箱內(nèi)進(jìn)行加熱I h，且在加熱過程中進(jìn)行磁力攪拌。隨后將反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移至250 w功率的微波爐內(nèi)進(jìn)行微波加熱15min，并使之靜止沉降，經(jīng)5000 r/min離心15 min后，再分別用無水乙醇和去離子水洗滌3次，60 °(:真空干燥2.5 h，即得到生物質(zhì)炭基磁性污泥。
[0011 ] (5)生物質(zhì)炭基磁性污泥對(duì)鈾的吸附
量取50 mL不同濃度的鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液，裝入于150 mL的錐形瓶中，隨后加入一定質(zhì)量的生物質(zhì)炭基磁性污泥，調(diào)節(jié)溶液的PH值。然后將其放入一定溫度的恒溫水浴箱中進(jìn)行恒溫振蕩。待吸附反應(yīng)完成后，使用6000 r/min的離心機(jī)進(jìn)行分離15 min，取上清液并采用三氯化鈦還原/f凡酸錢氧化滴定法測定鈾的剩余濃度。
[0012]本發(fā)明所述的步驟(I)中生物質(zhì)受熱分解溫度是350?450°C。
[0013]本發(fā)明所述的步驟(2)中使用的糖類物質(zhì)是蔗糖、葡萄糖、麥芽糖中的任意一種。
[0014]本發(fā)明所述的步驟(2)中FeSO4.7H20的質(zhì)量是1.495 - 1.5 g;FeCl3.6H20的質(zhì)量是1.45?2.9 8#62+與？63+的摩爾比是1:1?2;糖類物質(zhì)的質(zhì)量是I?2 g;生物質(zhì)炭粉的質(zhì)量是5 ~ 6 go
[0015]本發(fā)明所述的步驟(3)中啤酒酵母菌粉的質(zhì)量是2?3g;淀粉的質(zhì)量是0.5?1.5g;干污泥粉的質(zhì)量是5?10 g;活化劑的摩爾濃度是I?3 mol/L。
[0016]本發(fā)明所述的步驟(3)中使用的淀粉是面粉、紅薯粉或玉米粉中的任意一種;使用的活化劑是KOH、ZnCl2、H3PO中的任意一種。
[0017]本發(fā)明所述的步驟(3)中功能性活化污泥在管式電阻爐內(nèi)熱解的時(shí)間I?3ho
[0018]本發(fā)明所述的步驟(3)中干污泥粉和一定濃度活化劑的固液質(zhì)量比是1:1?3。
[0019]本發(fā)明所述的步驟(4)中功能性活化污泥粉的質(zhì)量是20?30mg;生物質(zhì)炭基磁性納米Fe304的質(zhì)量是5?6 mg;羧基纖維素鈉的質(zhì)量是3?5 g。
[0020]本發(fā)明所述的生物質(zhì)炭基磁性污泥在含鈾廢水處理中的應(yīng)用，鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度是0.45?0.50 mg/L;生物質(zhì)炭基磁性污泥的用量是10?20 mg;溶液的pH值是5?10;溶液的溫度是25?50 °C;吸附時(shí)間是40?65 min。所述的生物質(zhì)炭基磁性污泥具有孔隙率高、比表面積大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)含鈾廢水中鈾的吸附效果較好，并能使含鈾廢水中的鈾降低至國家排放標(biāo)準(zhǔn)0.05 mg/L以下。
[0021]本發(fā)明所述的生物質(zhì)炭基磁性污泥的制備及其在含鈾廢水處理中的應(yīng)用，相比現(xiàn)有的技術(shù)，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明的主要物質(zhì)來源是廉價(jià)的自然資源生物質(zhì)、啤酒酵母廢棄菌絲體、污水處理廠的活性污泥、淀粉，實(shí)現(xiàn)了自然資源的再生利用和資源化。
[0022](2)本發(fā)明在生物質(zhì)炭基磁性污泥的制備過程中，使用稻殼、花生殼和鋸木肩等結(jié)構(gòu)粗糖的生物質(zhì)炭作為基底，有利于提尚污泥的孔隙率。
[0023](3)本發(fā)明在生物質(zhì)炭基磁性污泥的制備過程中，溶解在水中的啤酒酵母菌在一定溫度下和加入的淀粉類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成了H2O和CO2等物質(zhì)，由于活性污泥在活化劑活化過程中粘度較高，一部分CO2氣體無法溢出從而留在活性污泥內(nèi)發(fā)泡孔化，形成了大量的孔隙，這樣就可以克服傳統(tǒng)產(chǎn)品存在的孔隙率不高、比表面積不大等缺陷。
[0024](4)本發(fā)明在生物質(zhì)炭基磁性污泥的制備過程中，使用澆筑法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的前驅(qū)體成型制備法，避免在犯保護(hù)下進(jìn)行高溫炭化反應(yīng)，制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，加熱條件也容易實(shí)現(xiàn)，能耗低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。
[0025](5)本發(fā)明在生物質(zhì)炭基磁性污泥的制備過程中，生成的納米Fe3O4