摘要
畜禽养殖废水已成为我国的第三大水污染源，其中含有的氮、磷和有机无机污染物含量高，易污染水体及周围环境，进入地下引起水体污染从而危害人类健康。生物炭作为一种以农业废弃物为原材料的绿色新型的吸附剂，被广泛应用于污水治理过程，目前较多研究集中于生物炭去除畜禽养殖废水中高浓度的氮、磷等易造成水体富营养化的物质，吸附重金属和抗生素尤其是二者构成的复合污染方面少有研究。本文主要选用咖啡渣、核桃壳、水葫芦和椰壳为原材料，在不同热解温度条件下进行制备，探究不同原材料最优制备温度。模拟重金属（Cu、Zn）和抗生素（OTC、CIP和DOX）的单一/复合污染环境，加入生物炭进行一系列的吸附试验，通过对比吸附效果筛选出较优炭种。同时，通过表征生物炭分析其理化性质、表面结构及官能团，结合吸附动力学模型和吸附等温线模型拟合曲线探究不同生物炭对畜禽养殖废水中重金属及抗生素的吸附特性，对生物炭吸附畜禽养殖废水中重金属和抗生素具有参考作用。本文主要研究如下： （1）生物炭对重金属/抗生素单一污染环境的吸附特性。通过吸附试验结果可知，咖啡渣、核桃壳、水葫芦及椰壳生物炭对污染物吸附过程为正向吸附，吸附过程容易进行，主要分为快速、慢速和平衡三个阶段。四种原材料制备的生物炭热解温度越高，吸附能力越强。水葫芦生物炭对重金属的去除效果最好，椰壳生物炭对抗生素的去除效果最好，其中 Cu、Zn、OTC、CIP 和 DOX 的最大去除率分别为99.59%、98.36%、90.24%、97.30和71.38%。通过12种生物炭分别对5种污染物的吸附模型拟合结果表明，吸附过程均符合准二级动力学，吸附过程主要为化学吸附，通过生物炭中官能团和离子与污染物发生反应，从而降低畜禽养殖废水中污染物浓度。Langmuir 模型更能有效的描述生物炭吸附重金属和抗生素的吸附过程，吸附过程主要为单分子层吸附，即生物炭表面铺满一层污染物后不再进行吸附，生物炭单层吸附容量与生物炭含有的孔隙有关。综合各污染物吸附容量及去除率，筛选出700℃制备的水葫芦和椰壳生物炭作为较优炭种。 （2）生物炭的表征及理化性质。生物炭的制备温度越高，得率越小，且灰分越多，pH随着制备温度的升高逐渐升高。元素分析结果表明咖啡渣生物炭、核桃壳生物炭、水葫芦生物炭和椰壳生物炭主要有C、H、O、N、S五种元素组成，其中主要元素为C，其次为O。扫描电镜图表明，咖啡渣及水葫芦炭含有大量纤维素，并分布着较密集的孔隙结构，孔隙比表面积增加，提高生物炭的吸附能力，核桃壳及椰壳炭高温裂解后有细碎的组织结构，易于分散。通过红外光谱以及 X 射线衍射分析的结果表明，生物炭表面分布着丰富的官能团，例如羟基、烷基以及 C-O-C等伸缩振动峰，这些官能团的存在与污染物之间发生反应，增强了生物炭的吸附能力。同时，XRD图谱显示四种材料制备的生物炭中，仅有水葫芦生物炭为晶体结构，其余三种生物炭无定型峰。可能由于水葫芦植物中含有较多的纤维素，在高温中能被有效的分解，提高结晶度。 （3）生物炭对重金属/抗生素复合污染环境的吸附特性。利用复合生物炭（70 0℃的水葫芦与椰壳生物炭混合）对三种复合污染体系吸附与单一吸附情况进行比较，发现Cu在CO2、CO3体系中的吸附量略有增加，则CIP和DOX促进了生物炭对Cu的吸附，具有促进作用。Zn在CO1、CO2和CO3体系中吸附量都有降低的趋势，则三种抗生素均对重金属Zn有拮抗作用。复合生物炭对OTC的吸附与单一吸附的最大吸附量相差不大，对 CIP 的吸附量较单一吸附情况有所提升，对DOX的吸附量和单一吸附情况相比无明显差异。其中，不同投加量造成抗生素随着生物炭投加量的增多而减少；不同溶液pH值使得Cu先增加后降低趋势，Zn则随着pH的升高吸附容量不断增加；不同停留时间促进Cu的吸附作用，增加Zn的吸附量，在180min内抗生素的含量无明显变化。
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