摘要: 随着我国经济和社会的快速发展，对资源的需求急剧增长。大量资源的使用给环境造成了严重的负担，每年产生大量的污水，这些污水的排放给人类的生存也带来了巨大的威胁，因此，污水处理是现代科学发展面临的最严峻的问题之一。本技术建立了一种新型基于生物多糖的污水处理剂及其制备方法，涉及污水处理技术领域，其中基于生物多糖的污水处理剂由纤维素交联壳聚糖，活性炭，硅藻土，聚合氯化铝，十二烷基硫酸钠和水组成；本发明以纤维素交联壳聚糖作为改性剂，对传统活性炭、硅藻土污水处理剂进行改性，纤维素经氧化后含有大量的羧基，羧基可以与壳聚糖中的氨基交联反应，形成复杂的交联网状结构，该结构与活性炭、硅藻土混合后，活性炭、硅藻土的微孔结构得到了很好的保护，大分子颗粒物不会进入其表面的微孔，导致吸附效果下降。
Abstract:
With the rapid development of China’s economy and society, the demand for resources has increased rapidly. The use of a large number of resources has caused a serious burden on the environment, producing a large number of sewage every year, and the discharge of such sewage has also brought a huge threat to human survival, wastewater treatment is one of the most serious problems in the development of modern science. The invention relates to a novel wastewater treatment agent based on biological polysaccharide and a preparation method thereof, which relates to the technical field of wastewater treatment, wherein the wastewater treatment agent based on biological polysaccharide is crosslinked by cellulose, Chitosan, active carbon, diatomite, the invention uses cellulose cross-linked Chitosan as modifier to modify the traditional activated carbon and diatomite sewage treatment agent, and the cellulose contains a large number of carboxyl groups after oxidation, carboxyl groups can react with Amino groups in Chitosan to form a complex cross-linked network structure. When the structure is mixed with activated carbon and diatomite, the micro-pore structure of activated carbon and diatomite is well protected, macromolecular particles will not enter the surface of the micro-pores, resulting in reduced adsorption.
1. 引言
随着我国经济和社会的快速发展，对资源的需求急剧增长。大量资源的使用给环境造成了严重的负担，每年产生大量的污水，这些污水的排放给人类的生存也带来了巨大的威胁，因此，污水处理是现代科学发展面临的最严峻的问题之一 [1] [2] [3]。
污水处理包括物理法、化学法和生物法 [4] [5]，物理法主要依靠物理吸附剂过滤除去水中的有害物质，化学法则是通过化学反应、化学沉淀剂等方式除去水中的有害物质，生物法主要是通过微生物降解、生物膜过滤等方式除去水中的污染物 [6] [7] [8]。三种方法中，物理法最为简便，成本低，安全性高，被广泛应用于污水处理工业中 [9]。然而，现有的物理吸附法主要利用活性炭、硅藻土、氧化铝等吸附性物质，虽然资源丰富、价格便宜，但是其污水处理效果还需要进一步提升，而且，随着吸附的进行，上述吸附性物质微孔结构易被堵塞，容易聚集粘连，导致吸附剂失效 [10] [11]。为了解决这些问题，我们急需开发一种廉价易得，且具有长效使用效果的污水处理剂。
本文的研究目标是提供一种新型的基于生物多糖的污水处理剂，以适应现代生活污水处理的要求，简化污水处理流程，同时降低污水处理成本。
2. 一种基于生物多糖的污水处理剂及其在污水处理工艺中的应用
2.1. 基于生物多糖的污水处理剂的组分
一种基于生物多糖的污水处理剂，按重量份计，由以下组分组成：纤维素交联壳聚糖100~120份，活性炭140~160份，硅藻土60~80份，聚合氯化铝15~25份，十二烷基硫酸钠4~8份和水200~240份；
其中纤维素交联壳聚糖按照如下方法制备：
① 纤维素的氧化：以重量份计，将100份纤维素加入到1000~2000份水中，维持温度在0℃~25℃，加入40~55份溴化钠和2~10份2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，搅拌，反应过程中滴加氢氧化钠水溶液，维持反应液的pH值至8~10，直至反应液的pH值不再变化，继续搅拌30~60分钟，过滤，滤饼用200~300份水或乙醇洗涤，在25℃~45℃下真空干燥得氧化纤维素；
② 纤维素交联壳聚糖的制备：将步骤①制备的氧化纤维素和150~250份壳聚糖加入到2000~2500份二甲亚砜或N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌，加入65~80份缩合剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，维持温度在20℃~40℃，搅拌反应12~72小时，加入5000~8000份乙醇或丙酮，进行稀释，搅拌10~30分钟，过滤，滤饼用500~700份乙醇或丙酮洗涤，得纤维素交联壳聚糖；
所述氢氧化钠水溶液的质量浓度是4%~8%。
本文中采用的材料来源和规格如下：
活性炭购买于巩义市豫润海源净水材料有限公司，规格工业级100目；硅藻土购买于河北玖矿产品有限公司，规格工业级200；聚合氯化铝购买于巩义市豫润海源净水材料有限公司，规格工业级，氧化铝含量30%；十二烷基硫酸钠购买于河南铭之鑫化工产品有限公司，规格活性物含量 ≥ 95%；纤维素购买于泰安瑞泰纤维素有限公司，规格工业级；溴化钠购买于武汉普洛夫生物科技有限公司，规格工业级；2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物购买于西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，规格化学纯；氢氧化钠购买于济南迈祥商贸有限公司，规格化学纯；壳聚糖购买于上海陆安生物科技有限公司，规格化学纯；二甲亚砜购买于济南智选化工有限责任公司，规格化学纯；N,N-二甲基甲酰胺购买于西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，规格化学纯；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐购买于西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，规格化学纯；乙醇购买于河南耀普石化科技有限公司，规格化学纯；丙酮购买于青岛锦鹏化工有限公司，规格化学纯。
2.2. 基于生物多糖的污水处理剂的制备方法
2.1所述基于生物多糖的污水处理剂的制备方法，包括以下步骤：
1) 以重量份计，将140~160份活性炭和60~80份硅藻土加入到马弗炉中，在45℃~65℃下灼烧1~3小时，取出后加入到200~300份的盐酸水溶液中，搅拌10~30分钟，过滤，水洗，抽滤，干燥得活化后的活性炭复合硅藻土；
所述盐酸水溶液的质量浓度为2%~5%；
2) 将步骤⑴制备的活化后的活性炭复合硅藻土、100~120份纤维素交联壳聚糖、15~25份聚合氯化铝和4~8份十二烷基硫酸钠加入到200~240份水中，搅拌0.5~1.5小时，抽滤，干燥得基于生物多糖的污水处理剂。
2.3. 基于生物多糖的污水处理剂在污水处理工艺中的应用
使用时将基于生物多糖的污水处理剂加入到污水中，加入量为15~20 g/L，搅拌吸附15分钟，过滤。
3. 一种基于生物多糖的污水处理剂及其在污水处理工艺中的应用结果讨论
3.1. 检测项目和仪器
污水中主要污染因子包括COD (单位mg/L)、SS (单位mg/L)、TN (单位mg/L)、TP (单位mg/L)、Cu2+ (单位mg/L)、Pb2+ (单位mg/L)、Ni2+ (单位mg/L)。
其中COD、BOD5、SS、TN和TP含量采用全自动水质分析仪器检测，全自动水质分析仪器为Aquaread AP-5000便携式多参数水质分析仪；
Cu2+、Pb2+和Ni2+含量采用紫外分光光度计检测，紫外分光光度计采用美谱达UV-1800紫外分光光度计。
3.2. 检测过程及对比试验
采集某工业园区内的污水，采用本技术的基于生物多糖的污水处理剂对采集的污水进行污水处理，试验过程为将本技术的基于生物多糖的污水处理剂加入到采集的污水中，加入量为15 g/L，搅拌吸附15分钟，过滤，得到处理后的污水，分别污水处理前后的COD、BOD5、SS、TN和TP的浓度进行检测，结果如表1所示。
Table 1. Comparison of components before and after sewage treatment
表1. 污水处理前后的成分比较表
由表1的结果可以看出，基于生物多糖的污水处理剂使用量为15 g/L时，可以对污水中的污染物进行有效的处理，对COD的处理效果尤其显著，处理后的污水能够满足一级A排放标准(COD ≤ 50 mg/L)。
采集某化工厂工业生产过程中的含重金属的废水，采用本技术的基于生物多糖的污水处理剂对采集的污水进行污水处理，试验过程为将本技术的基于生物多糖的污水处理剂加入到采集的污水中，加入量为15 g/L，搅拌吸附15分钟，过滤，得到处理后的污水，分别污水处理前后的Cd2+、Pb2+、Ni2+的含量进行检测，检测方法为原子吸收分光光度法，结果如表2所示。
Table 2. Comparison of heavy metal content before and after sewage treatment
表2. 污水处理前后的重金属含量比较表
由表2的结果可以看出，本技术的基于生物多糖的污水处理剂有效除去污水中的重金属离子，这是由于纤维素交联壳聚糖中含有大量的酰胺键和羟基，可以和金属离子螯合。
3.3. 检测结论
本技术的基于生物多糖的污水处理剂的去污机理为：基于生物多糖的污水处理剂以纤维素交联壳聚糖作为改性剂，对传统活性炭、硅藻土污水处理剂进行改性，纤维素经氧化后含有大量的羧基，羧基可以与壳聚糖中的氨基交联反应，形成复杂的交联网状结构，该结构与活性炭、硅藻土混合后，活性炭、硅藻土的微孔结构得到了很好的保护，大分子颗粒物不会进入其表面的微孔，导致吸附效果下降。另外，纤维素交联壳聚糖中含有大量的酰胺键和羟基，可以和金属离子螯合，有效除去污水中的重金属离子。
本技术的污水处理剂在用量少、使用时间短的情况下即可达到较好的污水处理效果，应用范围广泛。
4. 总结
本技术废水处理的工艺，能够有效处理有机污水中的COD、BOD5、SS、TN、TP及重金属离子，去除效果显著，在用量少、使用时间短的情况下即可达到较好的污水处理效果，应用范围广泛。