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钴金属-有机骨架活化过硫酸钠降解废水中的盐酸土霉素

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喻海彬, 胡文勇, 刘静怡, 杨哲, 沈良辰. 钴金属-有机骨架活化过硫酸钠降解废水中的盐酸土霉素[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
引用本文: 喻海彬, 胡文勇, 刘静怡, 杨哲, 沈良辰. 钴金属-有机骨架活化过硫酸钠降解废水中的盐酸土霉素[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
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YU Haibin, HU Wenyong, LIU Jingyi, YANG Zhe, SHEN Liangchen. Cobalt metal-organic framework activated sodium persulfate for the oxytetracycline hydrochloride degradation in wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
Citation: YU Haibin, HU Wenyong, LIU Jingyi, YANG Zhe, SHEN Liangchen. Cobalt metal-organic framework activated sodium persulfate for the oxytetracycline hydrochloride degradation in wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
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钴金属-有机骨架活化过硫酸钠降解废水中的盐酸土霉素

  • 吉首大学生物资源与环境科学学院，吉首 416000

    • 作者简介: 喻海彬(1992—)，男，硕士研究生。研究方向：医疗废水污染处理。E-mail：yhb13142@163.com
    通讯作者: 胡文勇(1973—)，男，博士，副教授。研究方向：重金属污染修复等。E-mail：354579235@qq.com; 

  • 中图分类号: X523

Cobalt metal-organic framework activated sodium persulfate for the oxytetracycline hydrochloride degradation in wastewater

  • College of Biological Resources and Environmental Science, Jishou University, Jishou 416000, China

    • Corresponding author: HU Wenyong, 354579235@qq.com ; 

摘要

  • 摘要: 采用新制备的钴金属-有机骨架(Co-MOF)和过硫酸钠(PS)分别作为催化剂和氧化剂，并通过Co-MOF活化PS降解废水中的盐酸土霉素，考察Co-MOF浓度、PS浓度、pH及温度对降解盐酸土霉素的影响。SEM、TEM、XRD及XPS等结果证明，Co-MOF成功地被合成。降解实验结果表明，与单独的Co-MOF、PS相比，Co-MOF/PS的降解性能有大幅度的提高。当pH=5、温度30 ℃、Co-MOF为200 mg·L−1以及PS为2 000 mg·L−1时，5 min后对20 mg·L−1盐酸土霉素的降解率最高达到97.1%。在催化剂的重复使用实验中，Co-MOF第4次运行对盐酸土霉素的降解率由97.1%(第1次)降低至82.1%，这表明Co-MOF材料可以重复利用降解盐酸土霉素。Co-MOF降解盐酸土霉素实验反应前后的XRD和XPS数据表明Co-MOF具备良好的稳定性。以上研究结果可为新型高效降解体系的开发及其在水环境污染控制领域的应用提供参考。
    Abstract: The newly prepared cobalt metal-organic framework (Co-MOF) and sodium persulfate (PS) were taken as catalyst and oxidant, respectively, and oxytetracycline hydrochloride in wastewater was degraded by Co-MOF activated PS, the effects of Co-MOF concentration, PS concentration, pH and temperature on the degradation were investigated. The results of SEM, TEM, XRD and XPS proved that Co-MOF was successfully synthesized. The degradation experiment results show that the degradation performance of Co-MOF/PS was greatly higher than Co-MOF and PS alone. At pH=5, 30 ℃, Co-MOF dosage of 200 mg·L−1 and PS dosage of 2 000 mg·L−1, the degradation rate of 20 mg·L−1 oxytetracycline hydrochloride reached 97.1% after 5 min. In the repeated use experiment of the catalyst, the degradation rate of oxytetracycline hydrochloride in the 4th run of Co-MOF decreased from 97.1% (in the 1st run) to 82.1%, which shows that the Co-MOF material could be reused to degrade oxytetracycline hydrochloride. The XRD and XPS data before and after the oxytetracycline hydrochloride degradation reaction with Co-MOF showed its good stability. This study can provide a reference for the development of new and high efficient degradation systems and their application in the field of water pollution.

  • 随着我国城镇化进程和新农村建设的不断推进，村镇生活污水排放量也在逐渐增长。考虑到农村地区对优美生态环境的客观需要，有针对性地对农村污水进行治理是社会发展的必然趋势。目前，我国农村污水处理方式主要包括两类：一是靠近城镇排水管道的，纳入排水管道处理，通过管网将农户污水收集并统一处理；二是采用小型污水处理设备，以及自然生态处理等形式将单户或几户的污水就近处理利用[1]。相对于城镇污水而言，农村污水具有以下特点：污水来源复杂，不同地区的排放强度及规律各有差异；农村污水水量波动较为明显；村镇规模相对较小，且分布极为分散，不利于将污水集中处理；污水排放量不稳定，夜间排放量可以忽略[2]。这些不利因素对农村污水的高效治理构成了巨大挑战。

    2018年9月29日，住建部和生态环境部联合发布了《关于加快制定地方农村生活污水处理排放标准的通知》[3]。通知提到，农村生活污水500 m3·d−1以上规模(含500 m·d−1)的农村生活污水处理设施可参照执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)[4]执行；而处理规模在500 m3·d−1以下的农村生活污水处理设施，由各地可根据实际情况进一步确定具体处理规模标准。在此政策基础上，各省市纷纷制定了各自地方的排放标准。有些地方标准相对宽松，但有些却比较严格，对氮磷要求很高，例如北京市、天津市等。

    根据《室外排水设计规范》[5]，为了达到良好的脱氮效果，要求进水的BOD5/TKN宜大于4，而农村污水常常不满足这一要求。农村污水浓度往往较低，低浓度生活污水对生物脱氮影响的后果往往是出水总氮(TN)不达标[6]。其原因主要包括：雨污水合流的稀释作用、地下水渗入稀释作用、化粪池的不合理设置等[7-8]。为了满足日益严格的TN出水标准，尽管外加碳源一定程度上加重了污水厂的经济负担。但是，在缺氧区投加碳源是一条最为稳妥的方法，也是目前不同运营单位最常采用的一种方法。不同污水厂(站)在外加碳源时，采用的外加碳源不尽相同。选择合适的碳源，确定适合的碳源投加量是保证村镇低浓度污水处理达标排放的一条重要途径。

    对于农村污水而言，虽然处理工艺具有一定的差异，但主要脱氮原理基本上仍为传统的硝化-反硝化过程。其中，COD与磷酸盐浓度可分别通过曝气以及投加沉淀剂的方式达到排放标准，而脱氮过程则难以通过投加药剂这种立竿见影的形式迅速达标。因此，在农村污水处理的过程中，面临的主要困境往往是出水TN无法达标，为此需要进行深入研究，探究适宜的碳源类型。反硝化菌对不同类型有机物的代谢方式具有差异，其代谢速率各不相同；且不同反硝化菌属最适利用的碳源种类同样具有差异，投加不同种类的碳源可富集不同的反硝化菌属。为摸清不同碳源作为补充碳源对反硝化过程脱氮效果的影响，本研究采用乙酸钠、乙醇、葡萄糖和蔗糖作为碳源，对不同的反硝化过程的脱氮效果进行了探究。本研究可为农村污水处理过程中选用外加碳源的种类提供参考依据。

    1.   材料与方法

    1.1   实验装置

    实验装置采用4组SBR，用以驯化和培养反硝化污泥。其有效容积均为4.8 L，装置结构如图1所示。 SBR通过自控装置每天运行6个周期，每个周期包括：进水(10 min)→缺氧反应(160 min)→曝气(10 min)→沉淀(30 min)→排水/闲置(15 min)→搅拌(15 min)。缺氧段采用电动搅拌器搅拌，转速为96 r·min−1。曝气段采用曝气头曝气，控制DO在1.5~2 mg·L−1。设置曝气段的目的为，反硝化细菌体内某些酶只有在有氧条件下才能合成[9]；同时，曝气可以吹脱缺氧阶段产生的氮气，提高反硝化污泥的沉降性能。在下一个周期之前15 min开始搅拌以恢复反硝化细菌活性，使反硝化细菌保持最佳状态。每个周期排出1.6 L处理过的废水，并用蠕动泵泵入1.6 L人工配水，水力停留时间(HRT)=12 h。每天定时在搅拌结束后曝气开始前排一次泥，保证SRT为10 d左右。反应装置由定时装置控制周期循环运行。

    图 1  SBR实验装置
    Figure 1.  Equipment of SBR
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    1.2   接种污泥

    以乙酸钠、乙醇和葡萄糖为碳源的反硝化污泥接种北京某污水厂二沉池回流污泥；以蔗糖为碳源的反硝化污泥接种于已经驯化成功的以乙酸钠为碳源的反硝化污泥。将种泥按比例稀释，使得MLSS为1500 mg·L−1左右。

    1.3   实验水质

    SBR采用人工配水，分别以乙酸钠、乙醇、蔗糖和葡萄糖作为碳源，分别维持乙酸钠、乙醇、葡萄糖、蔗糖4种碳源的碳氮比为4.5、5、6.5、6.5，以获得活性污泥的最佳驯化效果。硝酸钠为氮源。磷酸二氢钠为磷源。由于自来水里含有微生物生长所需的微量元素，故不再另外投加。进水水质主要指标如表1所示。

    表 1  不同水质条件下的COD与NO−3-N浓度
    Table 1.  COD and NO−3-N concentration under different water quality
    碳源类型COD/(mg·L−1)-N /(mg·L−1)COD∶N
    乙酸钠4501004.5
    乙醇5001005
    葡萄糖6501006.5
    蔗糖6501006.5
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    1.4   批次实验

    批次实验的反硝化污泥混合液分别取于稳定运行的SBR曝气之后，取出的污泥经沉淀、离心去除上清液，加入清水后再次进行沉淀、离心、去除上清液，重复上述步骤至少3次，以确保污泥中不再残留化学物质。将去除上清液后的污泥置于500 mL广口瓶中，加入不含NO−3-N和COD的配水液，摇晃均匀以配成悬浮液。

    用HCl或NaOH稀溶液调节pH为6.5，并向瓶中持续通入5 min氮气以去除混合液中氧气，之后将插有两根橡胶管的瓶塞将瓶口密封。2根橡胶管只有在取气样、水样时打开，其他时候均用夹子夹住。将NO−3-N和COD按SBR配水浓度分别配成50 mL浓缩液，在反应开始时，立即注射入广口瓶中，并将广口瓶置于磁力搅拌器上进行搅拌，转速为150 r·min−1。按原SBR的典型周期进行批次实验，温度为22 ℃，反硝化污泥在缺氧条件下运行，时间为160 min。 其中，反硝化速率按照式(1)计算。

    V=C0−C1CMLVSS·t (1)

    式中：V为反硝化速率，g·(g·h)−1；C0为起始NO−3-N或NO−2-N浓度，g·L−1；C1为终点NO−3-N或NO−2-N浓度，g·L−1；CMLVSS为混合液体挥发性悬浮固体浓度，g·L−1；t为反应时间，h。

    1.5   分析方法

    活性污泥驯化阶段，每天定时在曝气前取1次水样，检测其NO−3-N、COD、pH；并在曝气前和曝气中分别检测DO，以确保反硝化系统正常运行。

    MLSS，MLVSS采用重量法；NH+4-N采用纳氏试剂分光光度法；NO−3-N采用紫外分光光度法；NO−2-N采用N-(1萘基)-乙二胺光度法；COD采用重铬酸钾法[10]。温度采用水银温度计测定；pH采用pHTestr 30型pH计测定；溶解氧采用Multi 3620 WTW型溶解氧仪测定。

    2.   结果与讨论

    2.1   驯化时间

    以乙酸钠、乙醇、葡萄糖和蔗糖为有机碳源时，认定单周期过程结束后，若反应器出水中不包含NO−3-N以及NO−2-N时，则反硝化菌驯化完全。反应器的反硝化脱氮效果达到稳定的时间如表2所示。由表2可知，乙酸钠的驯化时间最短，蔗糖的驯化时间最长，驯化时间大约为乙酸钠的2倍。有研究[11]表明，相对于乙醇、葡萄糖和蔗糖而言，反硝化细菌对乙酸的降解要更为容易，故反硝化细菌对于乙酸钠的适应性更强，所需的驯化时间则相对较短。

    表 2  反硝化细菌的驯化时间
    Table 2.  Period for domestication of denitrifying bacteria
    碳源类型驯化时间/dMLSS/(g·L−1)MLVSS/(g·L−1)MLVSS∶MLSS
    乙酸钠172.651.980.746
    乙醇243.282.560.78
    葡萄糖262.752.230.812
    蔗糖304.43.50.795
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    2.2   不同碳源的反硝化过程

    以乙酸钠为碳源时， NH+4-N、NO−3-N、NO−2-N和N2O的变化情况如图2所示。以乙酸钠为碳源时，NO−3-N迅速得到降解，在60 min内全部被反硝化完毕。这说明，硝酸盐的还原呈现零级反应[12]。平均比反硝化速率为0.050 g·(g·h)−1。

    图 2  乙酸钠为碳源条件下反应器内各指标的变化
    Figure 2.  Variations of indices in reactor with sodium acetate as carbon source
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    图 3  乙醇为碳源条件下反应器内各指标的变化
    Figure 3.  Variations of indices in reactor with ethanol as the carbon source
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    图 4  葡萄糖为碳源条件下反应器内各指标的变化
    Figure 4.  Variations of indices in reactor with glucose as carbon source
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    NO−2-N浓度先增加后减少。在反应开始50 min内，NO−2-N浓度逐渐增加；待反应器内NO−3-N几乎被耗尽后，积累值达到最大23.2 mg·L−1；此后，NO−2-N浓度逐渐下降为0。这表明，在反硝化时，硝酸盐还原速率大于亚硝酸盐的还原速率，导致亚硝酸盐的积累，最高亚硝酸盐积累率23.2%，因为碳源充足，反应器出水中NO−2-N累积将会消失。

    反应周期内，气态的N2O总量为0.002 8 mg·L−1，溶解态N2O积累量出现2个峰值，分别出现在10 min和50 min，其值为1.23 mg·L−1和1.60 mg·L−1，N2O的产生源于亚硝酸盐的还原。后期N2O没有继续升高，亚硝酸盐还原速率与N2O还原速率基本稳定，而少量的N2O是因为溶液中没有溢出所致。

    反应中，NH+4-N浓度几乎保持稳定，说明NH+4-N浓度变化可以忽略。

    以乙醇为碳源时，各个指标的变化情况如图3所示。以乙醇为碳源时，与乙酸钠为碳源时相似，NO−3-N在70 min内迅速被反硝化完毕，平均比反硝化速率为0.031 g·(g·h)−1。NO−2-N浓度在70 min内达到最大值19.5 mg·L−1，即最高亚硝酸盐积累率19.5%；此后，NO−2-N浓度逐渐下降为0。

    NH+4-N浓度几乎保持稳定。气态的N2O总量为0.001 mg·L−1。溶解态N2O积累量在20 min内迅速升高到0.63 mg·L−1；之后缓慢升高到极大值1.25 mg·L−1；此后开始缓慢下降，至反应结束，浓度为0.67 mg·L−1。

    以葡萄糖为碳源时，各个指标的变化情况如图4所示。以葡萄糖为碳源时，NO−3-N迅速得到降解，在80 min内全部被反硝化完毕，平均比反硝化速率为0.034 g·(g·h)−1。在0~140 min内，NO−2-N浓度先增加后减少。在70 min内，NO−2-N积累值达到42.5 mg·L−1，最高亚硝酸盐积累率42.5%；此后，NO−2-N浓度逐渐下降为0。NH+4-N浓度在反应期间维持稳定。反应周期内气态N2O总量为0.023 mg·L−1。溶解态N2O首先缓慢增加后开始下降。0~110 min内，N2O浓度逐渐积累至5.43 mg·L−1，之后开始下降。

    以蔗糖为碳源时，各个指标变化情况如图5所示。以蔗糖为碳源时，NO−3-N在70 min内全部被反硝化完毕，平均比反硝化速率为0.026 g·(g·h)−1。NO−2-N的最大积累值为7 mg·L−1，最高亚硝酸盐积累率7.0%，最终NO−2-N也逐渐变为0。

    图 5  蔗糖为碳源条件下反应器内各指标的变化
    Figure 5.  Variations of indices in reactor with sucrose as the carbon source
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    NH+4-N浓度在反应期间浓度保持稳定。气态N2O总量为0.002 5 μg·L−1。与乙醇为碳源时相似，溶解态N2O积累量在10 min内迅速升高到0.44 mg·L−1，之后缓慢升高到极大值0.66 mg·L−1，此后保持稳定。

    2.3   不同碳源的反硝化效果分析

    在传统的城市污水处理过程中，往往采用硝化-反硝化工艺，其中氮磷的有效去除依赖于进水有机物的充分供给。农村污水的进水有机物浓度普遍较低，在处理低浓度污水的农村污水处理设施当中，进水COD浓度往往低于250 mg·L−1，BOD5则通常低于100 mg·L−1；此时，污水厂的同步脱氮除磷效果会由于反硝化菌与聚磷菌对于有机物的竞争过程而恶化，尤其不利于出水TN去除，甚至NH+4-N也无法满足排放标准[13]。因此，农村污水的脱氮过程更依赖于外加碳源的投加，选择合适的外加碳源有利于反硝化过程顺利进行，保证农村污水处理设施出水氮素的达标排放。

    硝酸盐还原包括同化反硝化和异化反硝化两大类。其中，同化反硝化最终形成有机氮化合物；异化反硝化中，包括常规反硝化和异化反硝化为氨两种路径(dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA)[14]。常规反硝化过程中，硝酸盐按照式(1)的路径[15-16]还原为氮气，依次由硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶、氧化亚氮还原酶完成。

    NO−3→NO−2→NO→N2O→N2 (1)

    本实验中，在不同碳源条件下，NH+4-N浓度变化情况基本相似，即反应期间保持稳定。有研究[17]表明，在反硝化过程中，NH+4-N和NO−2-N浓度都会发生显著变化。这是因为，在某些特定环境(氧化还原电位小于-200 mV、低DO、氮源受限而碳源丰富等)下，反硝化过程除了由NO−3-N向氮气转化的异化性硝酸盐还原路径之外，还会发生由DNRA作用[15]，同时某些特定反硝化菌群只具备DNRA能力[18]。YANG等[19]从反硝化污泥中分离出Pseudomonas stutzeri D6菌株，通过控制C/N比、DO、碳源种类(乙酸、葡萄糖、柠檬酸钠)等条件探究了其DNRA作用。而在本实验中，NH+4-N浓度并未发生明显变化。由此可知，本实验中反硝化过程只涉及常规反硝化过程(式(1))。

    以乙酸钠、乙醇、葡萄糖和蔗糖为碳源的各典型周期运行过程中，NO−3-N的比降解速率分别为0.05、0.03、0.03和0.02 g·(g·h)−1。其中，乙酸钠为碳源时，反硝化速率最快，乙醇和葡萄糖次之，蔗糖最慢。这是因为，乙酸能够与辅酶A结合形成乙酰辅酶A，直接进入三羧酸循环被微生物降解，而乙醇在为微生物利用的过程中需要先转化为乙酸才能进而被降解。葡萄糖作为较复杂的有机物，同样需要经过两个氧化过程才能得以降解：第1步，反硝化细菌将其氧化得到丙酮酸和ATP；第2步，丙酮酸进入三羧酸循环时被丙酮酸脱氢酶复合物转化为乙酰辅酶A[20]。因此，有机物结构越复杂，意味着代谢过程越复杂，反硝化速率也就越慢。由此可知，由1个葡萄糖分子和1个果糖分子组成的蔗糖，有机物结构最复杂，导致其反硝化速率最慢。

    由图2~图5可以看出，各碳源的典型周期内，反应器中均出现NO−2-N积累。以NO−3-N为氮源的反硝化过程中，NO−2-N来源于常规反硝化。在反应周期内，NO−2-N均出现短暂积累情况，浓度均先升高后降低，并逐渐趋于0。葡萄糖为碳源时，最大NO−2-N积累率最大，为42.5%，乙酸钠和乙醇次之，分别为23.2%和19.5%，蔗糖最小，仅为7.0%。

    值得注意的是，从图2~图5中还可以发现，在4种碳源条件下，对应的NO−2-N浓度均是在NO−3-N即将耗尽时达到最大值的。计算各最大积累值时刻点对应的NO−3-N浓度之前和之后的实测降解速率，分别以NO−3-N左和NO−3-N右表示，然后用NO−3-N左减去NO−2-N实测积累速率，即得到NO−2-N的真实降解速率(即Nir酶的降解速率)，如图6所示。在SBR乙酸钠中，当NO−2-N最大积累时，NO−3-N的降解速率由0.041 g·(g·h)−1骤降为0.016 g·(g·h)−1，由NO−3-N降解速率减去NO−2-N积累速率得到的NO−2-N降解速率为0.036 g·(g·h)−1；若要使得NO−2-N继进行积累，NO−3-N的降解速率至少应为0.036 g·(g·h)−1，而此时NO−3-N的降解速率显然并不能满足，故而NO−2-N浓度开始下降。这表明，NO−2-N的降解是滞后于NO−3-N的。

    图 6  NO−2-N最大积累时刻点的参数动力学分析
    Figure 6.  Analysis of kinetic parameters at maximum accumulation of NO−2-N
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    从电子传递角度而言，NO−2-N作为电子受体所需的电子需要从细胞质膜的周质获得，这使得其获得电子滞后于NO−3-N [21]。此外，如果细胞内氧化代谢产生的还原黄素达到饱和，NO−3-N和NO−2-N在底物电子的获取上将形成竞争，而Nar酶对电子的亲和力强于Nir酶[22]。同时，有些反硝化细菌种群细胞内只含有Nar酶，而没有Nir酶，也就是其不具备将NO−3-N向NO−2-N转化的能力，如Comamonadaceae属[21]。这些都将使得NO−2-N的降解落后于NO−3-N，从而导致以NO−3-N为氮源的反硝化脱氮过程中出现NO−2-N短暂积累的现象。GE等[20]在研究以乙酸、甲醇、葡萄糖等为碳源的反硝化过程中也发现了相同的现象。

    由碳源种类导致的NO−2-N最大积累值存在差异的情况同样也出现在很多研究[20, 23]中，乙酸、丙酸、乙醇等为碳源时出现较多NO−2-N积累；但丁酸、戊酸、己酸等却仅出现少量甚至并未出现积累。在本实验中，葡萄糖为碳源时，反硝化过程中NO−2-N的最大积累值是4种碳源之首，乙醇和乙酸钠次之，蔗糖最少。有研究[24]指出，有机物本身作为电子供体，对Nar酶和Nir酶的亲和力不同使得NO−3-N和NO−2-N降解速率的差值不同，将导致NO−2-N积累值不同。而碳源种类作为营养物质，若长期对反硝化细菌进行培养，将改变菌群结构，使得微生物群落中所含的Nar酶和Nir酶的数量发生改变，从而导致NO−2-N积累值发生显著变化。LU等[25]发现，在以乙酸和乙醇为碳源的反硝化细菌中，Thauera属占主导，而Thauera中Nar酶的数量要比Nir酶多；而GLASS等[26]发现，以葡萄糖为碳源的反硝化细菌中Comamonadaceae属则占主导，而Comamonadaceae属中的一些菌株，如Acidovorax facilis株，并不具备Nir酶系统，这将导致以葡萄糖为碳源时，NO−2-N积累现象更显著。但是，在阎宁等[27]的实验中，葡萄糖为碳源时并未出现或只出现少量NO−2-N积累的现象。这表示，NO−2-N积累除了与微生物结构和碳源种类有关，还与其他环境控制条件有关，如温度、pH、碳源适应时间等。

    3.   结论

    1)农村污水处理过程中普遍存在碳源不足的问题，通过外加碳源的投加是保证污水处理过程中稳定的TN去除率的有效措施。

    2)采用乙酸钠，乙醇，葡萄糖，蔗糖时作为外加碳源时，反硝化脱氮实现稳定的时间分别为17、24、26、30 d，其平均反硝化速率分别为0.050、0.031、0.034和0.026 g·(g·h)−1，即硝酸盐还原速率依次降低。

    3)在反硝化过程中，外加碳源均出现了显著的亚硝酸盐积累，在硝酸盐耗尽时，出现亚硝酸盐的最大值。

    4)以葡萄糖为碳源时，最大亚硝酸盐积累率为42.5%；而以乙酸钠和乙醇为碳源时，最大亚硝酸盐积累率次之，分别为23.2%和19.5%；以蔗糖为碳源时，最大亚硝酸盐积累率最小，仅为7.0%。

  • 图 1  Co-MOF的SEM和TEM图

    Figure 1.  SEM and TEM images of Co-MOF

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    图 2  Co-MOF的EDS分析

    Figure 2.  EDS analysis of Co-MOF

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    图 3  Co-MOF的XRD图谱

    Figure 3.  XRD spectra of Co-MOF

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    图 4  不同体系对降解盐酸土霉素的影响

    Figure 4.  Effects of different systems on degradation of oxytetracycline hydrochloride

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    图 5  不同pH对降解盐酸土霉素的影响

    Figure 5.  Effect of different pH on degradation of oxytetracycline hydrochloride

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    图 6  PS投加量对降解盐酸土霉素的影响及二级动力学曲线

    Figure 6.  Effect of PS dosage on degradation of oxytetracycline hydrochloride and second-order kinetic curve

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    图 7  Co-MOF投加量对降解盐酸土霉素的影响及二级动力学曲线

    Figure 7.  Effect of Co-MOF dosage on degradation of oxytetracycline hydrochloride and second-order kinetic curve

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    图 8  不同温度对盐酸土霉素的去除影响及二级动力学曲线

    Figure 8.  Effects of different temperatures on the removal of oxytetracycline hydrochloride and second-order kinetic curves

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    图 9  重复利用Co-MOF对降解盐酸土霉素的影响

    Figure 9.  Effect of recycled Co-MOF on degradation of oxytetracycline hydrochloride

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    图 10  反应前后Co-MOF的XPS图谱

    Figure 10.  XPS spectra of Co-MOF before and after reaction

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    图 11  Co-MOF反应前后的XRD图谱

    Figure 11.  XRD spectra of Co-MOF before and after reaction

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    图 12  自由基淬灭剂在不同pH下对降解盐酸土霉素的影响

    Figure 12.  Effect of free radical quencher on the degradation of oxytetracycline hydrochloride at different pHs

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-03
  • 录用日期:  2020-06-10
  • 刊出日期:  2020-09-10
喻海彬, 胡文勇, 刘静怡, 杨哲, 沈良辰. 钴金属-有机骨架活化过硫酸钠降解废水中的盐酸土霉素[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
引用本文: 喻海彬, 胡文勇, 刘静怡, 杨哲, 沈良辰. 钴金属-有机骨架活化过硫酸钠降解废水中的盐酸土霉素[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
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YU Haibin, HU Wenyong, LIU Jingyi, YANG Zhe, SHEN Liangchen. Cobalt metal-organic framework activated sodium persulfate for the oxytetracycline hydrochloride degradation in wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
Citation: YU Haibin, HU Wenyong, LIU Jingyi, YANG Zhe, SHEN Liangchen. Cobalt metal-organic framework activated sodium persulfate for the oxytetracycline hydrochloride degradation in wastewater[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2506-2514. doi: 10.12030/j.cjee.202004019
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钴金属-有机骨架活化过硫酸钠降解废水中的盐酸土霉素

    通讯作者: 胡文勇(1973—)，男，博士，副教授。研究方向：重金属污染修复等。E-mail：354579235@qq.com; 
    作者简介: 喻海彬(1992—)，男，硕士研究生。研究方向：医疗废水污染处理。E-mail：yhb13142@163.com
  • 吉首大学生物资源与环境科学学院，吉首 416000
  • 收稿日期:  2020-04-03
  • 录用日期:  2020-06-10
  • 网络出版日期:  2020-09-05

摘要: 采用新制备的钴金属-有机骨架(Co-MOF)和过硫酸钠(PS)分别作为催化剂和氧化剂，并通过Co-MOF活化PS降解废水中的盐酸土霉素，考察Co-MOF浓度、PS浓度、pH及温度对降解盐酸土霉素的影响。SEM、TEM、XRD及XPS等结果证明，Co-MOF成功地被合成。降解实验结果表明，与单独的Co-MOF、PS相比，Co-MOF/PS的降解性能有大幅度的提高。当pH=5、温度30 ℃、Co-MOF为200 mg·L−1以及PS为2 000 mg·L−1时，5 min后对20 mg·L−1盐酸土霉素的降解率最高达到97.1%。在催化剂的重复使用实验中，Co-MOF第4次运行对盐酸土霉素的降解率由97.1%(第1次)降低至82.1%，这表明Co-MOF材料可以重复利用降解盐酸土霉素。Co-MOF降解盐酸土霉素实验反应前后的XRD和XPS数据表明Co-MOF具备良好的稳定性。以上研究结果可为新型高效降解体系的开发及其在水环境污染控制领域的应用提供参考。

English Abstract

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  • 近年来，抗生素的广泛使用导致其以不同的方式大量流入环境[1-2]，其中包括盐酸土霉素。盐酸土霉素属于一种广谱抗菌素，在养殖业和农业中作为杀虫剂普遍使用，但是其很难被生物体完全吸收，盐酸土霉素的部分代谢产物及大量的残留会进入环境中，危害环境并给人类带来危害风险[3]。目前，针对抗生素的废水处理方法有水解、生物降解、高级氧化法等，其中，水解和生物降解均有耗时长、耗资大等缺点。高级氧化法是目前研究最为广泛一种废水处理方法，包括有芬顿氧化法[4-5]、光催化氧化法[6]和电化学氧化法[7-8]等。

    高级氧化法主要利用具有强氧化性功能的羟基自由基(·OH)或硫酸根自由基(SO⋅−4)与废水中的目标污染物发生反应，氧化降解污染物并使其矿化。近年来，运用SO⋅−4[9]的高级氧化技术逐渐成为热门，跟·OH[10-11]比较发现，SO⋅−4具有较低的氧化还原电势(2.60 V)，而且SO⋅−4的使用寿命比·OH要更长久，能在降解污染物的同时保持节能和高效[12-14]。常规的高级氧化催化剂的催化活性较低，其中，一种新颖的金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)引起人们广泛的关注。MOFs因其具有高比表面积、高稳定性和高孔隙率的特点被频繁运用。如PENG等[15]和ZHANG等[16]研究基于MOFs的新型材料MIL-53(Al)和H-UiO-66s对各类废水有机污染物的捕获时发现，MIL-53(Al)和H-UiO-66s均对有机污染物产生高效的吸附和去除，这表明MOFs具备去除污染物的性能。另外，MON等[17]和胡龙兴等[18]研究MOFs对水体污染的修复效果的结果表明，MOFs能有效的降解有机污染物。本研究采用水热法制备Co-MOF催化剂，并对其物化性质进行了表征。同时，考察了Co-MOF活化PS降解盐酸土霉素的性能及重复利用效果，并进一步对该降解反应的机理进行分析，以期为新型高效降解体系的开发及其在水环境污染控制领域的应用提供参考。

1.   材料与方法

    1.1.   试剂和仪器

  • 实验试剂：均苯三甲酸(GR，上海化学)、三乙胺(GR，国药控股)、六水合硝酸钴(AR，国药控股)、叔丁醇(CP，国药)、抗坏血酸(AR，国药)、盐酸土霉素(国药)；其他试剂均为国药分析纯试剂，实验用水为去离子水。

    实验仪器：KH-100型Teflon-lined反应釜(北京瑞昌伟业)、pHS-3C型pH计(上海仪电科学)、UV1900型紫外可见分光光度计(上海佑科)、SHA-C型水浴恒温振荡箱(常州澳华)、ZA3300型火焰原子吸收分光光度计(北京日立)。

    • 1.2.   实验方法

  • 1) Co-MOF的制备。量取25 mL去离子水于烧杯中，加入1.45 g Co(NO3)2•6H2O、1.05 g均苯三甲酸和2 mL三乙胺，再将烧杯放置在磁力搅拌器上搅拌15 min，然后将溶液转移到Teflon-lined反应釜中，密封放置在190 ℃的电热鼓风干燥箱中24 h。将反应后所得离心(6 000 r·min−1) 2 min获取沉淀物，用乙醇和去离子水各反复冲洗3次，再60 ℃真空烘干备用。

    2) Co-MOF降解盐酸土霉素的实验。量取20 mg·L的盐酸土霉素于反应器中，加入一定量的Co-MOF和PS，在恒温震荡箱中反应5 min，特定时间取样，并用紫外分光光度计在353 nm波长处测定吸光度，根据标准曲线计算盐酸土霉素反应后的浓度。实验结束后收集定量的上清液，加入适量硝酸酸化至pH≤2，然后用火焰原子吸收分光光度计测定其中的钴含量。盐酸土霉素的降解率按照式(1)进行计算。

    式中：η为盐酸土霉素的降解率；C0和Ce分别为盐酸土霉素溶液初始浓度和平衡时的浓度，mg·L−1。

2.   结果与讨论

    2.1.   Co-MOF表征

  • 1)扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)。通过SEM、TEM和EDS对制备的Co-MOF的形貌特征、粒径以及组成成分进行分析，结果见图1。如图1(a)和图1(b)的SEM表征所示，Co-MOF是由棒状晶体组成，每个棒状晶体的长度大约几百微米，宽约为30~100 μm，这与YAGHI等[19]的报道结果相似。如图2所示，Co-MOF含有C、O和Co元素，其中，Co元素的相对峰面积占比较大，这表明Co在Co-MOF结构中的重要性。如图1(c)和图1(d)的TEM表征所示，可见Co-MOF是由棒状晶体组成，并且每个棒状晶体表面平滑、多孔隙，这与PATTERSON等[20]的研究结果类似。

    2)X射线衍射(XRD)。通过XRD对制备的Co-MOF结构进行分析。如图3所示，在17.5°附近有明显的衍射峰，此峰对应Co3(BTC)2·12H2O的晶面(014)，故这表明Co(NO3)2·6H2O和均苯三甲酸发生完美融合，这与以往报道[21-22]中的Co-MOF的XRD图谱相似。

    • 2.2.   不同体系对盐酸土霉素的降解效果

  • 图4为不同催化剂反应体系下盐酸土霉素的降解效果对比。由图4可见，在第1组(未遮光)和第2组(遮光)中，单独的Co-MOF添加对盐酸土霉素的降解率分别为25.8%和3.9%，这是Co-MOF自身的光催化特性导致，如孙登荣等[23]研究MOFs材料的光催化性能时发现，MOFs具有光催化性能。在第3组实验中，单独的PS添加对盐酸土霉素的降解率为21.5%，这是由于PS的热活化反应导致。杨世迎等[24]开展的活化过硫酸盐高级氧化技术的研究结果表明，在热、光、过渡金属等外在条件的催化下，过硫酸盐均能通过吸收能量来使内部构造发生变化。在第4组实验中，Co-MOF/PS对盐酸土霉素的降解率为95.4%。这样的结果与预期一样，表明Co-MOF具有高效活化PS的性能。

    • 2.3.   影响Co-MOF降解盐酸土霉素的因素

  • 1) pH对盐酸土霉素降解的影响。图5为不同pH对盐酸土霉素降解的影响。如图5所示，盐酸土霉素在pH=2.0~11.0时均有不同程度的降解，其中，当pH=5.0时，对盐酸土霉素的降解率最高为97.1%。当pH=2.0、3.0、9.0和11.0时，对盐酸土霉素的降解率分别为91.5%、93.1%、85.3%和79.8%，这与预估一致，一方面是由于SO⋅−4和·OH在pH≤3时与H+发生反应引起的(式(2)和式(3))，导致SO⋅−4和·OH被清除；另一方面是由于SO⋅−4与OH−和水发生反应引起的(式(4)和式(5))，导致SO⋅−4被转化为·OH。

    2) PS投加量对盐酸土霉素降解的影响。由图6可知，当PS添加量为从50 mg增加到100 mg时，对盐酸土霉素的降解率从78.9%上升到95.8%，这表明盐酸土霉素的降解率随着PS投加量的增加而变大。而PS投加量达到150 mg时，对盐酸土霉素的降解率下降，原因是由于过多的PS会使SO⋅−4量超过临界值，使SO⋅−4被PS捕获清除[25]。根据图6中拟合曲线结果，Co-MOF活化PS降解盐酸土霉素的动力学曲线符合准二级动力学模型，50 mg和100 mg PS添加量对应的的拟合曲线中R2分别为0.992 6和0.995 6，而150 mg PS添加量的拟合曲线中的R2最低为0.989 3，由于100 mg PS添加量的拟合曲线中R2高于50 mg添加量，所以确认本研究中最佳PS投加量为100 mg。

    3) Co-MOF投加量对盐酸土霉素降解的影响。由图7可知，5 mg Co-MOF添加量对盐酸土霉素的降解率为77.6%，10 mg Co-MOF添加量对盐酸土霉素的降解率为95.1%，而15 mg Co-MOF添加量对盐酸土霉素的降解率为87.2%，这表明随着Co-MOF投加量的增加，盐酸土霉素去除率呈现先增后减的趋势。造成这种情况的原因是：一方面是由于过多的SO⋅−4会产生自我清除反应；另一方面由于过多的Co-MOF会增加溶液内的浊度。根据图7中拟合曲线结果，Co-MOF活化PS降解盐酸土霉素的动力学曲线符合准二级动力学模型，其中5 mg Co-MOF添加量的曲线拟合度R2最小为0.989 6，而10 mg和15 mg Co-MOF添加量的曲线拟合度R2分别为0.993 7和0.992 0，由于10 mg Co-MOF添加量的拟合曲线中的R2最高，所以确定本研究中最佳Co-MOF投加量为10 mg。

    4)温度对盐酸土霉素降解的影响。图8为不同反应温度对盐酸土霉素降解的影响。如图8所示，在25 ℃时，对盐酸土霉素的降解率有82.1%；在30 ℃时，对盐酸土霉素的降解率上升到92.3%；而当45 ℃时，对盐酸土霉素的降解率高达95.6%。这表明随着反应温度的升高，对盐酸土霉素的降解率也随之增大。在Co-MOF/PS体系中，SO⋅−4的生成不仅被Co-MOF的活化性能影响，还被温度影响。随着温度的增加，加快体系中PS的热激活行为，加速电子转移，使PS的O—O键更易于断裂，SO⋅−4的生成更多更快，从而提高对盐酸土霉素的降解率。以往的报道[26-27]也证实这点，如刘红梅等[28]开展的热活化过硫酸盐降解土壤和地下水中污染物的研究发现，当温度过低时并不能对过硫酸盐进行有效的活化并生成SO⋅−4，反而在升温过程中SO⋅−4的生成速率会加快，进而促进盐酸土霉素的降解；但当温度过高时也会受到抑制影响，原因是由于自由基被高温清除。龙安华等[29]关于活化过硫酸盐降解水污染的研究结果也表明，在热活化过硫酸盐的过程中，随着温度的变化，pH、离子强度及有机质耗氧等也会产生相应的改变，所以温度会影响到污染物的降解率。根据图8的结果可见，Co-MOF活化PS降解盐酸土霉素的动力学曲线符合准二级动力学模型，其中30 ℃的曲线拟合度R2最高为0.991 0，故确定30 ℃为本次研究的最佳反应温度。

    • 2.4.   重复利用Co-MOF对盐酸土霉素降解率的影响

  • 催化剂的稳定性是检验催化剂性能的重要指标，图9为Co-MOF重复利用对降解盐酸土霉素的影响。如图9所示，Co-MOF第4次运行后，对盐酸土霉素的降解率下降为82.1%，这表明Co-MOF具备较高的稳定性。其中，导致盐酸土霉素降解率降低的原因是：一方面由于Co-MOF活化PS降解盐酸土霉素时，长时间浸泡导致Co(Ⅱ)的活性位点损失；另一方面是由于Co2+随着多次循环出现微量损失(式(6))。第4次运行结束后收集定量的上清液，经检测显示钴含量为1×10−4 mg·L−1，而国标(GB 25467-2010)中的钴排放标准为总钴含量≤1 mg·L−1，故本次研究中Co-MOF的使用不会对环境造成二次污染。

    • 2.5.   反应机理

  • 1) Co-MOF降解盐酸土霉素反应前后的XPS表征。通过XPS对Co-MOF降解盐酸土霉素反应前后的组分变化进行分析。图10为Co-MOF反应前后的XPS图谱。如图10(a)所示，Co-MOF材料的宽扫描光电子能谱呈现Co2p、O1s和C1s 3个光谱图。在Co2p核心级XPS光谱中(图10(b))，反应前的Co2p1/2和Co2p3/2的结合能对应781.4 eV和800.4 eV；在786.2 eV的峰值是由辅峰造成的，由Co的sp3杂化所形成。有研究[30]表明，在低结合能一侧的781.4 eV若是归属于Co(Ⅱ)，就表明Co在材料中的主要存在状态是Co(Ⅱ)氧化态，其在pH=2时没明显变化，而在pH=11时Co2p1/2对应的强度明显增强，这表明Co-MOF在酸性条件下更稳定。由图10(a)可知，在pH=11时反应后的Co2p的峰值有所升高，这是由于碱性条件下Co3+被还原为Co2+所致(式(7))。图10(c)显示的是O1s的光谱，反应前和当体系的pH=2反应后的结合能峰均为532.4 eV，表明CO-MOF中的羧基没有受到损坏，结合C1s的XPS光谱中(图10(d))的数据，其结合能没有发生明显的变化。综上所述，Co-MOF具有良好的稳定性。

    2) Co-MOF降解盐酸土霉素反应前后的XRD表征。如图11所示，在Co-MOF降解盐酸土霉素反应完成后，XRD图谱中Co3(BTC)2·12H2O对应的峰强度降低，这表明Co-MOF材料在降解盐酸土霉素的过程中有损失。

    3)自由基淬灭剂对Co-MOF降解盐酸土霉素的影响。为了确定Co-MOF活化PS所产生的自由基种类，采用自由基捕获实验以验证活化体系中可能存在的自由基。众所周知，抗坏血酸和乙醇均为·OH和SO⋅−4的淬灭剂，而叔丁醇仅为·OH的淬灭剂。如图12所示，加入叔丁醇的实验组中，盐酸土霉素的降解率与无添加组相比有微弱下降，而加入抗坏血酸和乙醇的实验组中，盐酸土霉素的降解率无添加组相比大幅度下降，这表明在对盐酸土霉素降解的实验过程中同时涉及到SO⋅−4和·OH，且SO⋅−4是起主导作用的。在pH=2的条件下，加入抗坏血酸、乙醇和叔丁醇后，相比较空白条件，盐酸土霉素的降解率反而得到提升，加入叔丁醇的实验组对盐酸土霉素的降解率的提升效果微弱，这表明·OH在酸性条件下更易于生成，如陈震等[31]研究溶液pH对·OH的影响时发现，酸性环境更易于·OH的生成。当pH=11时，在加入淬灭剂后，发现对于盐酸土霉素降解效果的抑制明显高于空白条件下，原因是由于碱性环境有利于·OH的去除。

3.   结论

  • 1) SEM、TEM和XRD的表征结果表明，采用水热法成功制备出Co-MOF。该催化剂具有较好的降解性能，在Co-MOF浓度为200 mg·L−1、PS浓度为2 000 mg·L−1时，5 min后Co-MOF/PS对盐酸土霉素的降解率达到95.4%。

    2) Co-MOF投加量、PS投加量和温度对Co-MOF降解盐酸土霉素有较大的影响，pH对降解盐酸土霉素的影响不大。其中，当pH=5、温度30 ℃、Co-MOF浓度为200 mg·L−1、PS浓度为2 000 mg·L−1时，Co-MOF/PS对盐酸土霉素的降解率可达到最高。

    3)重复利用Co-MOF降解盐酸土霉素结果表明，Co-MOF具有可重复利用性能。Co-MOF反应前后的XRD和XPS数据表明，Co-MOF具有良好的稳定性。自由基捕获结果表明，在该降解反应过程中，SO⋅−4和·OH对盐酸土霉素的降解均有贡献，其中，SO⋅−4的贡献最大。

参考文献 (31)

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