本發(fā)明涉及一種去除污染水體中鉛的方法，更具體地說，尤其涉及一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法。

背景技術(shù)：

鉛是一種毒性很大的重金屬元素，可引起智力下降(尤其是對(duì)兒童學(xué)習(xí)方面)、腎損傷、不育、流產(chǎn)以及高血壓等不良影響。調(diào)查研究表明，我國多個(gè)地區(qū)的自然水體中鉛含量超標(biāo)，鉛污染現(xiàn)象比較普遍，鉛中毒事件也頻頻發(fā)生。工礦企業(yè)排放的含鉛廢水是導(dǎo)致我國地表水體鉛污染的主要污染來源之一。目前，處理含鉛廢水的技術(shù)主要有化學(xué)沉淀法、離子交換法、電解法以及生物吸附法等?；瘜W(xué)沉淀法存在占地面積大、處理量小、選擇性差等缺點(diǎn)；離子交換法的缺點(diǎn)是一次性投資比較大，且再生存在一定的困難；電解法目前處理含鉛廢水難度較大，但很有潛力，此方法在國內(nèi)外尚處于研究階段。

使用生物材料處理和回收含鉛廢水的技術(shù)是既簡單又經(jīng)濟(jì)的治理方法，已經(jīng)引起了人們的重視。生物材料對(duì)重金屬天然的親和力，可用以凈化濃度范圍較廣的鉛離子廢水以及混合的金屬離子廢水。其優(yōu)點(diǎn)有：①受pH值影響??；②不使用化學(xué)試劑；③污泥量極少；④無二次污染；⑤排放水可回用；⑥菌泥中金屬可回收且菌泥可用作肥料。生物吸附法將是廢水深度處理常用的方法。

豬糞是一種產(chǎn)量大、利用率低且廉價(jià)的生物質(zhì)，若用其作為生物炭的原料不僅能減少傳統(tǒng)豬糞廢棄或堆肥方法對(duì)大氣、土壤、地下水造成的污染，而且能利用生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的堿性等特性，通過對(duì)重金屬的吸附、沉淀、絡(luò)合、離子交換和氧化還原等一系列反應(yīng)，降低重金屬在水體中的可遷移性和生物有效性，從而達(dá)到有效控制水體中重金屬污染的目的。將豬糞進(jìn)行熱解處理的技術(shù)不僅高效、易實(shí)施、無二次污染、應(yīng)用效果好，克服原有技術(shù)占用場地大、投資大、產(chǎn)生二次污染、周期長、能耗高等缺點(diǎn)，而且該技術(shù)成本低、處理效率高、操作簡單，對(duì)于重金屬污染水體的修復(fù)具有較好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡單、高效環(huán)保的利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法，該方法包括下述步驟：(1)制備豬糞生物炭；(2)將鉛污染水體的pH調(diào)整至4～7，同時(shí)將污染水體中的鉛濃度調(diào)整為50～1000mg/L；(3)將制備好的豬糞生物炭以0.2～5g/L的投加量加入到調(diào)整后的鉛污染水體中，吸附去除鉛。

上述的利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法中，步驟(1)所述制備豬糞生物炭具體為：a)采集新鮮豬糞，在陽光下晾曬5～7天，然后粉碎、過篩，密封貯存?zhèn)溆?；b)將粉碎過篩后的豬糞顆粒放入管式爐中，以0.25～0.4L/min的速率通入氮?dú)猓墒覝厣翢峤饨K溫，熱解終溫為300℃～700℃，并在熱解終溫保持15min～4h，然后冷卻至室溫，熱解產(chǎn)物經(jīng)碾碎、過60目篩制得豬糞生物炭。

上述的利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法中，步驟a)具體為：采集新鮮豬糞，在陽光下攤開晾曬5～7天，環(huán)境溫度為30～40℃，當(dāng)檢測豬糞含水率為9～12％時(shí)，收集豬糞進(jìn)行粉碎、過20目篩，密封貯存?zhèn)溆谩?/p>

上述的利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法中，步驟b)中，由室溫升至熱解終溫的升溫速率為8～12℃/min。

上述的利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法中，步驟(2)中，鉛污染水體的pH為4.5～6。

上述的利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法中，步驟(3)中，豬糞生物炭的投加量為1～2g/L，反應(yīng)時(shí)間為1～24h，反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度為20～30℃。

本發(fā)明采用上述方法后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下述的優(yōu)點(diǎn)：

(1)制備生物炭的原材料來源廣、成本低廉，制備方法產(chǎn)率高、易操作、易推廣。

(2)將豬糞制備成生物炭后，不僅可以減輕其對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，而且還可以吸附/吸收水體中的污染物，實(shí)現(xiàn)了豬糞的資源化利用。

(3)豬糞對(duì)鉛的吸附效果顯著，遠(yuǎn)高于其他吸附劑；而且方便回收，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

(4)本方法制備的豬糞生物炭不僅可以去除鉛，對(duì)其他重金屬也有一定的去除能力。

附圖說明

下面結(jié)合附圖中的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。

圖1為不同熱解溫度對(duì)豬糞生物炭產(chǎn)率影響的示意圖；

圖2為不同熱解溫度對(duì)豬糞生物炭吸附量影響的示意圖；

圖3為不同濃度的鉛離子對(duì)豬糞生物炭吸附量影響的示意圖；

圖4為不同溶液初始pH值對(duì)豬糞生物炭吸附量影響的示意圖；

圖5為不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)豬糞生物炭吸附量影響的示意圖；

圖6是不同豬糞生物炭投加量對(duì)鉛離子吸附率影響的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法，該方法包括下述步驟：

(1)制備豬糞生物炭，具體為：

a)采集新鮮豬糞，在陽光下攤開晾曬5～7天，環(huán)境溫度為30～40℃，當(dāng)檢測豬糞含水率為9～12％時(shí)，收集豬糞進(jìn)行粉碎、過20目篩，密封貯存?zhèn)溆茫?/p>

b)將粉碎過篩后的豬糞顆粒放入管式爐中，以0.25～0.4L/min的速率通入氮?dú)猓墒覝厣翢峤饨K溫，升溫速率為8～12℃/min，熱解終溫為300℃～700℃，并在熱解終溫保持15min～4h，然后冷卻至室溫，熱解產(chǎn)物經(jīng)碾碎、過60目篩制得豬糞生物炭。

如圖1和圖2所示：在300℃～500℃條件下，豬糞生物炭產(chǎn)率下降較快，產(chǎn)率均大于50％；在500℃～700℃條件下，豬糞生物炭產(chǎn)率下降較慢，產(chǎn)率均小于50％。同時(shí)，在300℃～500℃范圍內(nèi)，隨著熱解終溫的升高，生物炭對(duì)鉛離子的吸附量快速增加，在500℃時(shí)，吸附量達(dá)到最大值，然后快速下降。因此，熱解終溫選擇在300℃～700℃，并且優(yōu)選500℃為最佳值。

(2)將鉛污染水體的pH調(diào)整至4～7，優(yōu)選為4.5～6。同時(shí)將污染水體中的鉛濃度調(diào)整為50～1000mg/L；

如圖3所示，鉛濃度為500mg/L時(shí)，生物炭對(duì)鉛的吸附量為491.7mg/g，并且隨著鉛濃度的增加，生物炭的吸附量繼續(xù)增大。對(duì)500mg/L的鉛溶液去除率為98.3％。對(duì)300mg/L的鉛溶液去除率在99.5％以上，基本完全去除，達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，在處理先，首先將鉛嘗試調(diào)整至一個(gè)較為合理的數(shù)值，以期達(dá)到理想的吸附效果。

參閱圖4所示，在鉛溶液濃度為500mg/L，投加量為1g/L時(shí)，pH值的變化對(duì)生物炭的吸附量會(huì)有影響。在pH值為5時(shí)，生物炭對(duì)鉛的吸附量最大，可達(dá)499.3mg/g。pH<5時(shí)，吸附量隨pH增大而增大，pH>5時(shí)，吸附量隨pH值增大而減小。因此，在此條件下進(jìn)行鉛吸附時(shí)，鉛溶液最佳pH為4.5～6之間。

(3)將制備好的豬糞生物炭以0.2～5g/L，優(yōu)選為1～2g/L的投加量加入到調(diào)整后的鉛污染水體中吸附去除鉛，反應(yīng)時(shí)間為1～24h，反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度為20～30℃。

參閱圖5和圖6所示，在初始階段，生物炭對(duì)鉛的吸附量隨時(shí)間的增加而急劇上升，在反應(yīng)0.4h時(shí)，吸附量便達(dá)到平衡吸附量的80％以上，隨后上升趨勢趨于平緩，在1h時(shí)，基本都達(dá)到吸附平衡，在500mg/L溶液中，其平衡吸附量為497.6mg/g。同時(shí)，生物炭投加量在1g/L以下時(shí)，生物炭投加量越多，對(duì)鉛的吸附率越大，投加量在1g/L以上時(shí)，生物炭的吸附基本達(dá)到飽和。

因此，為實(shí)現(xiàn)理想的吸附效果同時(shí)有效利用生物炭，豬糞生物炭的投加量，控制在0.2～5g/L，優(yōu)選為1～2g/L。同時(shí)，反應(yīng)時(shí)間控制在1～24h，以期在有效吸附的同時(shí)，進(jìn)一步鞏固效果。

實(shí)施例1

本發(fā)明的一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法，該方法包括下述步驟：

(1)制備豬糞生物炭，具體為：

a)采集新鮮豬糞，在陽光下攤開晾曬5天，環(huán)境溫度為40℃，檢測豬糞含水率為9.5％，收集豬糞進(jìn)行粉碎、過20目篩，密封貯存?zhèn)溆茫?/p>

b)將粉碎過篩后的豬糞顆粒放入管式爐中，以0.25L/min的速率通入氮?dú)?，由室溫升至熱解終溫，升溫速率為8℃/min，熱解終溫為300℃，并在熱解終溫保持4h，然后冷卻至室溫，熱解產(chǎn)物經(jīng)碾碎、過60目篩制得豬糞生物炭。

(2)將鉛污染水體的pH調(diào)整至4。同時(shí)將污染水體中的鉛濃度調(diào)整為50mg/L；

(3)將制備好的豬糞生物炭以0.2g/L的投加量加入到調(diào)整后的鉛污染水體中吸附去除鉛，反應(yīng)時(shí)間為1h，反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度為20℃，振蕩速率為220r/min?；旌弦哼^0.45μm濾膜，過濾液加酸后測定濾液中重金屬含量。

本實(shí)施例得到的生物炭對(duì)鉛的吸附量為239.3mg/g，對(duì)鉛的去除率為95.7％。

實(shí)施例2

本發(fā)明的一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法，該方法包括下述步驟：

(1)制備豬糞生物炭，具體為：

a)采集新鮮豬糞，在陽光下攤開晾曬5天，環(huán)境溫度為32℃，檢測豬糞含水率為9％，收集豬糞進(jìn)行粉碎、過20目篩，密封貯存?zhèn)溆茫?/p>

b)將粉碎過篩后的豬糞顆粒放入管式爐中，以0.3L/min的速率通入氮?dú)猓墒覝厣翢峤饨K溫，升溫速率為10℃/min，熱解終溫為500℃，并在熱解終溫保持2h，然后冷卻至室溫，熱解產(chǎn)物經(jīng)碾碎、過60目篩制得豬糞生物炭。

(2)將鉛污染水體的pH調(diào)整5。同時(shí)將污染水體中的鉛濃度調(diào)整為500mg/L；

(3)將制備好的豬糞生物炭以1g/L的投加量加入到調(diào)整后的鉛污染水體中吸附去除鉛，反應(yīng)時(shí)間為3h，反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度為25℃，振蕩速率為200r/min?；旌弦哼^0.45μm濾膜，過濾液加酸后測定濾液中重金屬含量。

本實(shí)施例得到的生物炭對(duì)鉛的吸附量為487.0mg/g，對(duì)鉛的去除率為97.4％。

實(shí)施例3

本發(fā)明的一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法，該方法包括下述步驟：

(1)制備豬糞生物炭，具體為：

a)采集新鮮豬糞，在陽光下攤開晾曬6天，環(huán)境溫度為30℃，當(dāng)檢測豬糞含水率為12％時(shí)，收集豬糞進(jìn)行粉碎、過20目篩，密封貯存?zhèn)溆茫?/p>

b)將粉碎過篩后的豬糞顆粒放入管式爐中，以0.35L/min的速率通入氮?dú)?，由室溫升至熱解終溫，升溫速率為12℃/min，熱解終溫為700℃，并在熱解終溫保持15min，然后冷卻至室溫，熱解產(chǎn)物經(jīng)碾碎、過60目篩制得豬糞生物炭。

(2)將鉛污染水體的pH調(diào)整至7。同時(shí)將污染水體中的鉛濃度調(diào)整為1000mg/L；

(3)將制備好的豬糞生物炭以5g/L的投加量加入到調(diào)整后的鉛污染水體中吸附去除鉛，反應(yīng)時(shí)間為24h，反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度為25℃，振蕩速率為210r/min?；旌弦哼^0.45μm濾膜，過濾液加酸后測定濾液中重金屬含量。

本實(shí)施例得到的生物炭對(duì)鉛的吸附量為198.6mg/g，對(duì)鉛的去除率為99.3％。

實(shí)施例4

本發(fā)明的一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法，該方法包括下述步驟：

(1)制備豬糞生物炭，具體為：

a)采集新鮮豬糞，在陽光下攤開晾曬7天，環(huán)境溫度為40℃，當(dāng)檢測豬糞含水率為10.3％時(shí)，收集豬糞進(jìn)行粉碎、過20目篩，密封貯存?zhèn)溆茫?/p>

b)將粉碎過篩后的豬糞顆粒放入管式爐中，以0.4L/min的速率通入氮?dú)猓墒覝厣翢峤饨K溫，升溫速率為11℃/min，熱解終溫為400℃，并在熱解終溫保持3h，然后冷卻至室溫，熱解產(chǎn)物經(jīng)碾碎、過60目篩制得豬糞生物炭。

(2)將鉛污染水體的pH調(diào)整至6。同時(shí)將污染水體中的鉛濃度調(diào)整為800mg/L；

(3)將制備好的豬糞生物炭以3g/L的投加量加入到調(diào)整后的鉛污染水體中吸附去除鉛，反應(yīng)時(shí)間為12h，反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度為30℃，振蕩速率為190r/min?；旌弦哼^0.45μm濾膜，過濾液加酸后測定濾液中重金屬含量。

本實(shí)施例得到的生物炭對(duì)鉛的吸附量為261.6mg/g，對(duì)鉛的去除率為98.1％。

實(shí)施例5

本發(fā)明的一種利用豬糞生物炭去除污染水體中鉛的方法，該方法包括下述步驟：

(1)制備豬糞生物炭，具體為：

a)采集新鮮豬糞，在陽光下攤開晾曬6天，環(huán)境溫度為38℃，當(dāng)檢測豬糞含水率為11.2％時(shí)，收集豬糞進(jìn)行粉碎、過20目篩，密封貯存?zhèn)溆茫?/p>

b)將粉碎過篩后的豬糞顆粒放入管式爐中，以0.3L/min的速率通入氮?dú)?，由室溫升至熱解終溫，升溫速率為10℃/min，熱解終溫為600℃，并在熱解終溫保持1h，然后冷卻至室溫，熱解產(chǎn)物經(jīng)碾碎、過60目篩制得豬糞生物炭。

(2)將鉛污染水體的pH調(diào)整至4.5。同時(shí)將污染水體中的鉛濃度調(diào)整為300mg/L；

(3)將制備好的豬糞生物炭以0.8g/L的投加量加入到調(diào)整后的鉛污染水體中吸附去除鉛，反應(yīng)時(shí)間為4h，反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度為25℃，振蕩速率為220r/min?；旌弦哼^0.45μm濾膜，過濾液加酸后測定濾液中重金屬含量。

本實(shí)施例得到的生物炭對(duì)鉛的吸附量為361.9mg/g，對(duì)鉛的去除率為96.5％。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1

其他條件不變，采用實(shí)施例1中的方法用水稻秸稈和城市污水處理廠的污泥制備成生物炭，然后研究他們和活性炭在鉛濃度為500mg/L、pH為5的溶液中，對(duì)鉛的吸附量分別為66.9mg/g、52.4mg/g和56.1mg/g，而豬糞制備的生物炭對(duì)鉛的吸附量可達(dá)498.2mg/g，分別是上述2種其他原料制備的生物炭吸附劑吸附量的7～10倍，并且是活性炭吸附量的8倍多。這說明豬糞生物炭對(duì)鉛的吸附遠(yuǎn)高于其他同類型的吸附劑。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2

在其他條件不變，采用實(shí)施例1制備的豬糞生物炭，然后研究它分別在鉛、鎘、銅和鋅4種重金屬離子濃度為500mg/L、pH為5的溶液中，采用同等反應(yīng)條件，單獨(dú)對(duì)4種重金屬離子的吸附量分別為498.2mg/g(鉛的吸附量)、29.4mg/g(鎘的吸附量)、37.9mg/g(銅的吸附量)和12.7mg/g(鋅的吸附量)，其對(duì)鉛的吸附量是其他3種金屬的吸附量的17倍、13倍和19倍。這說明豬糞生物炭應(yīng)用于鉛污染水體的治理相對(duì)于去除其他重金屬離子將具有更高的效率。

吸附劑對(duì)重金屬離子吸附量的大小主要受到3個(gè)方面因素的影響：吸附劑種類(例如活性炭、生物質(zhì)炭、微生物、粘土礦物等)及來源、重金屬離子種類及濃度(例如鉛、鎘、銅、鋅等)和環(huán)境因素(例如溶液pH、溫度等)。這些因素使得不同的吸附劑對(duì)同一種重金屬離子，或同一種吸附劑對(duì)不同的重金屬離子，或者在不同的環(huán)境條件下反應(yīng)，得到的吸附量差異均較大，吸附量一般從幾mg/g到幾百mg/g之間。因此，不同吸附劑對(duì)重金屬離子的去除率和處理效率也相差甚遠(yuǎn)。一般來說，很難找到一種吸附劑同時(shí)處理多種重金屬，不同的重金屬離子需要不同的吸附劑來進(jìn)行處理。因此，本發(fā)明創(chuàng)新性地采用豬糞生物炭用于鉛的吸附，不僅原材料來源廣、成本低廉，而且制備方法產(chǎn)率高、易操作、易推廣。將豬糞制備成生物炭后，不僅可以減輕其對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，而且還可以吸附/吸收水體中的污染物，實(shí)現(xiàn)了豬糞的資源化利用。更重要的，豬糞對(duì)鉛的吸附效果顯著，遠(yuǎn)高于其他吸附劑；而且方便回收，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

以上所舉實(shí)施例為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，僅用來方便說明本發(fā)明，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，若在不脫離本發(fā)明所提技術(shù)特征的范圍內(nèi)，利用本發(fā)明所揭示技術(shù)內(nèi)容所作出局部更動(dòng)或修飾的等效實(shí)施例，并且未脫離本發(fā)明的技術(shù)特征內(nèi)容，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)特征的范圍內(nèi)。