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CN115140846B - 一种复合处理剂、制备方法及其在净化废水中的应用 - Google Patents

一种复合处理剂、制备方法及其在净化废水中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合处理剂，包括金属有机骨架材料、微生物菌液和胶粘剂。本发明通过多孔金属有机骨架MOF‑801材料提供的高比表面积，以及本身具有的‑OH亲水基团，增强了对废水中污染物的渗透吸附，同时结合微生物菌液能在短时间内高效降解芳烃废水。

Description

一种复合处理剂、制备方法及其在净化废水中的应用
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种复合处理剂、制备方法及其在净化废水中的应用。
背景技术
化工污水主要为石油化工企业和煤化工企业产生的污水，石油化工企业主要的生产工艺包括裂解、合成、精炼、重整等工艺，在这些生产工艺中会产生大量污水，2020年根据数据统计，石化企业在进行原油加工时，废水产生质量为原油的三分之一，石化企业废水排放总量超过10亿吨每年。石化企业排放的污水中含有油类物质、苯系物、醇类、酚类、氨氮、硫化物、氰类以及重金属等污染物，具有生物毒性，并且生物降解时间长，同时污水污染物浓度高，石化企业排放的污水油含量可超过 500mg/L，在某些应急情况下，会有大量污油排出。由于生产工艺和生产原料的特性，污水中含有苯系物、氰化物、硫化物等难降解、毒性大的物质，污水装置中的活性污泥系统易受这类污水冲击而导致中毒。污水的组成成分由于生产工艺变化而不同，在裂解装置中油含量高、pH值变化大，在丙烯腈装置中污水含有氰类物，使活性污泥失去活性。根据不同的生产工艺，应配套不同的污水处理技术。
目前，我国各地石化企业都在以优化工艺、技术改造、产业升级等的手段提高污水外排达标能力以适应国家排放标准的要求。如气浮吹脱、生物触氧氧化法、MBR膜分离技术、臭氧氧化法、Fenton氧化法、电化学氧化法等等。利用微生物的新陈代谢将废水转化为细胞代谢的能源、细胞组成物质及无害的小分子物质等，具有反应条件温和、设备简单、运行费用低、二次污染小等优点，利用微生物方法治理石化废水污染的关键在于寻找到具有高效降解该废水、不会造成二次污染、培养条件简单、抗冲击能力强的菌株。近年来，有关苯系物和烃类物质降解菌株的研究时有报道。但生物处理技术也存在一定的局限性，表现在生物接触降解废水速率有限，承受负荷不能过高，对具有生物毒性的物质处理效果稳定性较差等。因此开发微生物与其他材料结合的新型废水处理方法对环境污染和人类健康意义十分重大。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合处理剂、制备方法及其在净化废水中的应用，通过多孔金属有机骨架MOF-801材料提供的高比表面积，以及本身具有的-OH亲水基团，增强对废水中污染物的渗透吸附，同时结合微生物菌液能在短时间内高效降解芳烃废水。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种复合处理剂，包括金属有机骨架材料、微生物菌液和胶粘剂。
优选地，前述金属有机骨架材料、微生物菌液和胶粘剂的质量比为（10~30）：（10~20）：（5~10）。
优选地，前述金属有机骨架材料的制备步骤如下：
（1）将富马酸、二氯化锆、二甲基甲酰胺和甲酸混合均匀，加入到反应釜中，搅拌反应；
（2）反应结束后，离心收集产物，用N,N-二甲基甲酰胺洗涤产物三次以上，得到白色沉淀物；
（3）将白色沉淀物在甲醇中浸泡，用N,N-二甲基甲酰胺对白色沉淀进行冲洗，冲洗后的产物放在真空烘箱中进行活化，得到活化后的金属有机骨架材料MOF-801粉末。
优选地，前述微生物菌液包括质量比为（3~5）：（2~4）的败血泛菌液和沃式葡萄球菌液，败血泛菌液和沃式葡萄球菌液均为单菌株发酵培养制得。
优选地，前述胶粘剂为卡拉胶。
一种复合处理剂的制备方法，包括如下步骤：
S1、将卡拉胶、败血泛菌液和沃式葡萄球菌液混匀后静置，得到混合溶液；
S2、将MOF-801粉末浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌，渗透，洗净后烘干，得到中间产物A；
S3、将中间产物A浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌，渗透，洗净后烘干，得到中间产物B；
S4、将中间产物B浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌，渗透，洗净后烘干，即得到复合处理剂。
优选地，前述MOF-801、中间产物A和中间产物B的质量比（5~ 10）：（12 ~ 20）：（15~35）。
上述复合处理剂在净化废水中的应用。
优选地，前述废水中包括多环芳烃化合物二苯甲烷、联苯和苯并(a)芘中的一种或多种。
优选地，前述复合处理剂与待净化废水的体积比（1~ 2）：（280~ 320）。
本发明的有益之处在于：本发明通过多孔金属有机骨架MOF-801材料提供的高比表面积，以及本身具有的-OH亲水基团，增强了对废水中污染物的渗透吸附，同时结合微生物菌液能在短时间内高效降解芳烃废水，24h内可将多环芳烃化合物二苯甲烷、联苯和苯并(a)芘均降解95%以上；在污水处理的应用中，该复合处理剂可以耐受复杂且高浓度的芳烃废水并实现快速降解。
附图说明
图1是本发明的复合处理剂对多环芳烃化合物的降解效果；
图2是本发明的金属有机骨架材料MOF-801含量对降解效果的影响；
图3是本发明的复合处理剂对废水的降解效果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例1
一种复合处理剂的制备方法，包括如下步骤：
1、金属有机骨架材料的制备
将富马酸（10 mmol, 1.16 g）、二氯化锆(10 mmol, 3.22 g)、二甲基甲酰胺(40mL)和甲酸(14 mL)混合均匀，然后将其加入到反应釜中，反应温度和时间分别为 130℃和6 h；反应结束后，产物通过离心收集，并将产物用N,N-二甲基甲酰胺洗涤三次以上，然后将白色沉淀物在甲醇中浸泡72 h，期间每天用N,N-二甲基甲酰胺对白色沉淀进行冲洗，最后将产物在 150℃真空烘箱中进行活化，将活化后的MOF-801 保存备用。
2、菌液的制备
（1）败血泛菌菌液的制备：将菌株在LB培养基上进行活化，挑取单菌落接种于LB培养基中，在32℃、150r/min下震荡培养至对数期；按3%的接种量接种于无机盐培养基中在32℃、150r/min下震荡培养，得到菌液；
其中，LB培养基组分为：4g/L酵母粉、8g/L蛋白胨、8g/L氯化钠，pH 7-8。无机盐培养基组分为：NH4Cl 0.2wt%，KH2PO4 0.2wt%，MgSO4 0.06wt%，NaCl 0.04wt%，CaCO3 0.2wt%，pH 7-8。
（2）沃式葡萄球菌菌液的制备：挑选沃式葡萄球菌JG-3的单菌落接种于LB培养基摇瓶中，振荡培养至对数期；将上述培养好的菌种按10％的接种量接种入种子罐，培养至对数生长期；将种子液按5％的接种量接入生产罐培养，生产罐所用培养基与种子罐培养基相同；在种子罐和生产罐的培养过程中无菌空气的通气量为1:0.6~1.2，搅拌速度为180~240rpm，培养温度为35℃，全流程培养时间为48~96h，得到菌液；
其中，LB培养基配方为：4g/L酵母粉、8g/L蛋白胨、8g/L氯化钠，pH 7.0~7.5；种子罐培养基配方为：葡萄糖8g/L，酵母膏5g/L，K2HPO4 1g/L，NaCl 5g/L，CaCO3 2g/L，MgSO40.2g/L，大豆油0.1％(v/v)，pH值7.0~7.5。
3、复合处理剂的制备
S1、将质量比为10%卡拉胶、50％败血泛菌液、40％沃式葡萄球菌液混匀后静置，得到混合溶液；
S2、将3%的MOF-801粉末浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，得到中间产物A；
S3、将3%的中间产物A浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，得到中间产物B；
S4、将3%的中间产物B浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，即得到复合处理剂。
实施例2
本实施例与实施例1的制备步骤相同，区别在于复合处理剂的制备中各原料的用量不同，具体包括如下步骤：
1、金属有机骨架材料的制备
2、菌液的制备
3、复合处理剂的制备
S1、将质量比为10%卡拉胶、30％败血泛菌液、20％沃式葡萄球菌液混匀后静置，得到混合溶液；
S2、将5%的MOF-801粉末浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，得到中间产物A；
S3、将12%的中间产物A浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，得到中间产物B；
S4、将15%的中间产物B浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，即得到复合处理剂。
实施例3
本实施例与实施例1的制备步骤相同，区别在于复合处理剂的制备中各原料的用量不同，具体包括如下步骤：
1、金属有机骨架材料的制备
2、菌液的制备
3、复合处理剂的制备
S1、将质量比为10%卡拉胶、30％败血泛菌液、20％沃式葡萄球菌液混匀后静置，得到混合溶液；
S2、将5%的MOF-801粉末浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，得到中间产物A；
S3、将12%的中间产物A浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，得到中间产物B；
S4、将15%的中间产物B浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌渗透2小时，用无菌水洗净后，80℃烘干，即得到复合处理剂。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于未添加金属有机骨架材料。
对比例2
废水处理剂仅采用败血泛菌菌剂。
对比例3
废水处理剂仅采用沃式葡萄球菌菌剂。
性能对比实验
1、复合处理剂对多环芳烃化合物的降解效果
将实施例1中制备的复合处理剂以3%的接种量分别接种至含不同多环芳烃（二苯甲烷、联苯、苯并(a)芘）的培养基中，培养基中各多环芳烃的初始浓度均为0.1g/L，培养基配方为：NH4Cl 0.5g/L、KH2PO4 1g/L、Na2HPO4 1g/L、MgCl2 0.02g/L、CaCl2 0.03g/L，pH 7.0~7.5，在30℃、150r/min条件下摇床中培养，24h后测定各多环芳烃含量，如图1所示。
根据图1可以看出，实施例1中制备的复合处理剂对二苯甲烷、联苯、苯并<a>芘降解率分别达到95.45%、95.63%和95.16%，降解效果优异。
2、金属有机骨架材料MOF-801含量对降解效果的影响
分别制备金属有机骨架材料质量含量为0%（对比例1）、1.5%、3.5%、6.5%、10%的复合处理剂，将各复合处理剂以3%的接种量分别接种至含二苯甲烷、联苯、苯并(a)芘的培养基中，其中，培养基中各多环芳烃的初始浓度均为0.1g/L，培养基配方为：NH4Cl 0.5g/L、KH2PO4 1g/L、Na2HPO4 1g/L、MgCl2 0.02g/L、CaCl2 0.03g/L，pH 7.0-7.5，在30℃、150r/min条件下摇床中培养，24h后测定各各多环芳烃含量，如图2所示。
根据图2可以看出，未添加金属有机骨架材料的对比例1中的复合处理剂对二苯甲烷、联苯、苯并(a)芘的降解率仅为53.27%、50.66%和47.23%，由于金属有机骨架材料MOF-801的添加使得复合处理剂对二苯甲烷、联苯、苯并(a)芘的降解率增加，降解率最高分别为95.21%、95.32%和95.87%。
3、复合处理剂在净化实际废水的应用
处理水质来源为石化企业污水处理厂进水，处理量为3L，将实施例1、对比例2和对比例3中的处理剂均分别按照体积比1:300的投加量投加至污水中，原污水pH 7~8，污水中二苯甲烷、联苯、苯并(a)芘的浓度分别为0.06g/L、0.08g/L、0.07g/L，曝气处理使其溶氧在2mg/L以上，24h后跟踪其降解情况，如图3所示。
根据图3可以看出，对比例2中的败血泛菌菌剂对废水中联苯的降解率为41.86%，对比例3中的沃式葡萄球菌菌剂对联苯的降解率为36.90%，降解效果均不是很好，而实施例1中制备的复合处理剂对二苯甲烷、联苯和苯并(a)芘的降解率分别可达96.54%、95.76%和95.47%，以上实验数据表明，复合处理剂在实际石化芳烃废水中具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种复合处理剂在降解废水中二苯甲烷、联苯和苯并(a)芘中的应用，其特征在于，所述废水中二苯甲烷、联苯和苯并(a)芘的浓度均为0.1g/L；
所述复合处理剂包括金属有机骨架材料、微生物菌液和胶粘剂，所述微生物菌液包括质量比为（3~5）：（2~4）的败血泛菌液和沃式葡萄球菌液，所述金属有机骨架材料、微生物菌液和胶粘剂的质量比为（10~30）：（10~20）：（5~10），所述败血泛菌液和沃式葡萄球菌液均为单菌株发酵培养制得，所述胶粘剂为卡拉胶；
所述金属有机骨架材料的制备步骤如下：
（1）将富马酸、二氯化锆、二甲基甲酰胺和甲酸混合均匀，加入到反应釜中，搅拌反应；
（2）反应结束后，离心收集产物，用N,N-二甲基甲酰胺洗涤产物三次以上，得到白色沉淀物；
（3）将白色沉淀物在甲醇中浸泡，用N,N-二甲基甲酰胺对白色沉淀进行冲洗，冲洗后的产物放在真空烘箱中进行活化，得到活化后的金属有机骨架材料MOF-801粉末；
所述复合处理剂的制备方法包括如下步骤：
S1、将卡拉胶、败血泛菌液和沃式葡萄球菌液混匀后静置，得到混合溶液；
S2、将MOF-801粉末浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌，渗透，洗净后烘干，得到中间产物A；
S3、将中间产物A浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌，渗透，洗净后烘干，得到中间产物B；
S4、将中间产物B浸泡在上述混合溶液中，不断搅拌，渗透，洗净后烘干，即得到复合处理剂；
所述MOF-801、中间产物A和中间产物B的质量比（5~ 10）：（12 ~ 20）：（15~ 35）。
2.根据权利要求1所述的一种复合处理剂的应用，其特征在于，所述复合处理剂与待净化废水的体积比（1~ 2）：（280~ 320）。
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