含钛高炉渣作人工湿地基质处理含抗生素污水的应用基础研究

【摘要】：近年来国内多处水域发现抗生素踪迹,地表水甚至地下水中都已检测到抗生素的存在,对人类健康造成威胁。人工湿地作为污水处理的新型技术得到广泛运用,对人工湿地基质材料的研究也备受关注。结合含钛高炉渣光化学性质稳定、无毒、光催化性能优良特性,以含钛高炉渣作为人工湿地的基质用以处理含抗生素污水,通过实验研究含钛高炉渣对含抗生素污水的净化处理特性,研究预期不仅对人工湿地净化含抗生素污水的研究有积极作用,同时也有望实现含钛高炉渣高附加值的资源化综合利用,具有重要的环境效应、经济意义和社会效益。本文主要研究内容如下：(1)通过研究不同pH和浸出时间对含钛高炉渣中元素的浸出规律的影响,综合分析各种元素的最佳浸出条件,确定既有利于水体污染物净化、又有利于湿地水生植物生长的浸出工艺条件参数。结论如下：在正常水体pH变化范围及人工湿地水力停留时间范围内,含钛高炉渣不会浸出对植物生长有害的重金属元素,其浸出的Ca、Mg、Si和S元素均有利于水生植物的生长；综合pH对各种元素的浸出影响,水体处于弱碱性条件较利于对水生植物生长有利元素的浸出；由于各元素浸出量大多随着时间的延长而增加,对植物有害的铝元素含量随着时间的延长反而降低,因此,在一定时间范围内,延长含钛高炉渣的使用时间对水生植物生长有利。(2)以含钛高炉渣作为光催化材料,考察含钛高炉渣对不同抗生素的光催化降解效果,找到降解效果较好的抗生素作为目标降解物,研究了含钛高炉渣对目标降解物的吸附以及光催化性能,获取其最佳反应条件参数,并探究目标降解物的降解机制。所得结论如下：含钛高炉渣对环丙沙星的光催化效果优于对氧氟沙星和诺氟沙星的光催化效果。含钛高炉渣吸附环丙沙星的最适等温线模型可用Langmuir方程表达,含钛高炉渣吸附环丙沙星符合一级动力学方程模型,即该吸附过程主要受物理吸附控制。在渣投加量为60mg/ml,光照强度为2.25mW/cm2,光照时间为3h时,对体积50m1、浓度10mg/L的环丙沙星溶液的去除效果最佳,总去除率为82.22%,其中光催化降解率为7.96%,占总去除率的9.68%,吸附作用占主导地位。含钛高炉渣光催化降解环丙沙星机制存在两种路径：路径一,N-脱烷基化的过程,氧化产物M-2经过两步水解作用生成了部分脱烷基化产物M-26,此氧化产物继续被氧化,形成了完全脱烷基化产物M-69。路径二,环丙基的氧化过程,烯胺中的哌嗪环首先发生羟基化和脱烷基化反应,之后环丙基被氧化为丙烯基或者乙酰基两种氧化产物(即M+2)。(3)实验分析含钛高炉渣净化污水及含抗生素污水处理效果的各影响因素,找到最佳的污水净化工艺参数。结果表明：含钛高炉渣对污水中COD的去除率范围为16.21%～54.29%,对TN的去除率范围为8.36%～40.46%,对TP的去除率范围为84.92%～94.97%。含钛高炉渣处理含抗生素污水时,由于污水中的氮磷无机盐以及其他有机物与环丙沙星发生竞争吸附,使含钛高炉渣对环丙沙星的吸附能力降低。环丙沙星光催化降解过程中的脱烷基化使得小分子的氨氮进入水体,使水体中氮元素含量增加,导致含钛高炉渣对TN的去除率有所降低。当渣投加量为60mg/ml,光照时间为4h,光照强度为2.25m W/cm2,pH为7时,含钛高炉渣对体积为50m1,环丙沙星浓度为10mg/L的污水中COD、TN、TP、CIP(环丙沙星)的去除率分别为55.98%、41.66%、96.97%、50.32%。 【关键词】：含钛高炉渣 抗生素 光催化 污水
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 含钛高炉渣综合利用研究现状10-13
• 1.2.1 国外含钛高炉渣资源化利用现状10-11
• 1.2.2 国内含钛高炉渣资源化利用现状11-13
• 1.3 水体中典型抗生素的污染概况13-17
• 1.3.1 水环境中抗生素的来源14
• 1.3.2 水环境中抗生素的危害14-15
• 1.3.3 抗生素去除技术研究现状15-17
• 1.4 人工湿地基质研究进展17-19
• 1.4.1 不同基质去污能力的研究17-18
• 1.4.2 基质的组合配置18
• 1.4.3 基质的除磷机理研究18-19
• 1.5 研究内容及技术路线19-23
• 1.5.1 研究目标19
• 1.5.2 研究内容19
• 1.5.3 研究方法19-22
• 1.5.4 总技术路线22-23
• 第2章 实验材料、仪器和试剂23-27
• 2.1 实验材料制备与分析23-25
• 2.1.1 样品的制备23
• 2.1.2 样品的表征23-25
• 2.2 实验仪器及试剂25-27
• 2.2.1 实验仪器25-26
• 2.2.2 实验试剂26-27
• 第3章 含钛高炉渣中元素的浸出规律影响27-35
• 3.1 实验方法27
• 3.1.1 浸取剂的配制27
• 3.1.2 钢渣的浸渍27
• 3.1.3 浸出液中元素的测试27
• 3.2 结果与讨论27-34
• 3.2.1 pH及浸出时间对元素Si的浸出规律影响29-30
• 3.2.2 pH及浸出时间对元素Ca的浸出规律影响30-31
• 3.2.3 pH及浸出时间对元素Mg的浸出规律影响31
• 3.2.4 pH及浸出时间对元素Al的浸出规律影响31-32
• 3.2.5 pH及浸出时间对元素S的浸出规律影响32-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第4章 含钛高炉渣对水体中抗生素净化效果研究35-49
• 4.1 光催化降解原理35-36
• 4.2 实验装置与实验方法36-37
• 4.2.1 光催化实验装置36
• 4.2.2 实验方法36-37
• 4.3 结果与讨论37-48
• 4.3.1 含钛高炉渣对不同抗生素光催化降解效果研究37-38
• 4.3.2 含钛高炉渣对环丙沙星的吸附等温线38-40
• 4.3.3 含钛高炉渣对环丙沙星吸附动力学研究40-41
• 4.3.4 含钛高炉渣对环丙沙星光催化降解实验分析41-45
• 4.3.5 含钛高炉渣光催化降解环丙沙星机制探究45-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第5章 含钛高炉渣对含抗生素污水的净化效果研究49-56
• 5.1 实验方法49-50
• 5.1.1 对污水的净化49
• 5.1.2 对含抗生素污水的净化49-50
• 5.2 结果与讨论50-55
• 5.2.1 对污水的净化效果50-51
• 5.2.2 对含抗生素污水的净化效果51-54
• 5.2.3 水质条件与抗生素添加的影响54-55
• 5.3 本章小结55-56
• 第6章 结论与展望56-58
• 6.1 主要结论56-57
• 6.2 研究展望57
• 6.3 创新点57-58
• 参考文献58-64
• 在读期间发表的学术论文及研究成果64-65
• 致谢65

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