树脂吸附畜禽养殖废水中抗生素和重金属的机理与技术

Large-scale livestock and poultry breeding wastewater has gradually become the main source of pollutants in water because of the status of much larger water volume, higher concentration and containing antibiotics and heavy metals. It is the hot topic of the current research. This study was designed on the basis of the preliminary work to investigate structure-activity relationship at different pH, temperature, ionic strength and initial concentration between the resins with different pore size and specific surface area (conventional porous resins and new magnetic resins) and adsorbates (composite pollutants with antibiotics and heavy metals); to reveal complex adsorption mechanism of various antibiotics, organic molecules and heavy metals, adsorbates and pre-loading background pollutants on the surface of the resins combined with a variety of analytical instruments by adjusting the influencing factors in terms of aqueous parameters; to enrich and develop resin adsorption theory and technology in treating large-scale livestock and poultry breeding wastewater containing antibiotics and heavy metals; to build methods for deep purification and reuse of livestock and poultry breeding wastewater; to improve the efficiency of removal of the antibiotic and heavy metal pollutants in the large-scale livestock wastewater; to reduce the natural accumulation and biological toxicity risk of antibiotics and heavy metals in the water environment.

规模化畜禽养殖废水因废水量大、集中，且含有抗生素和重金属，已逐渐成为水环境的主要污染源，是当前研究热点。本研究旨在原有工作基础上，针对畜禽养殖废水体系中抗生素和重金属等复杂污染物共存问题，采用系列具有不同孔径和比表面积的传统吸附树脂和新型磁性树脂为吸附剂，考察多种抗生素、重金属在不同pH值、温度、离子强度和初始浓度时与树脂之间的吸附构效关系；研究废水中背景污染物的主要组分构成和多种关键性质；通过改变水质条件、结合多种分析仪器揭示复杂水体系中多种抗生素类有机物分子、有机物分子和重金属离子、吸附质与背景污染物等在树脂表面的复杂作用机制，丰富与发展规模化畜禽养殖废水中抗生素和重金属的树脂吸附理论和控制技术，构建畜禽养殖废水的深度净化与回用方法，提高规模化畜禽养殖废水中抗生素和重金属等污染物的去除效率，降低抗生素和重金属等在水环境中的自然累积和生物毒性风险。

在我国，药物滥用情况越来越严重，由此带来的水环境风险也越来越明显。本项目通过制备环糊精负载树脂、金属有机框架（MOF）负载吸附材料、改性Fe3O4/壳聚糖磁性复合吸附剂和氨基吸附树脂，以水体中四环素、磺胺嘧啶、诺氟沙星、布洛芬、双氯芬酸钠和重金属Zn/Cu离子等为研究对象，研究上述吸附剂对水体中污染物的吸附行为与机理；通过研发具有不同基团修饰的壳聚糖基絮凝剂和纳米分散态吸附剂，探索水体中污染物的凝聚-吸附行为与机制，为新型吸附剂制备和吸附拓展研究提供支持。具体研究成果如下：. 通过化学键联法将β-环糊精修饰到聚苯乙烯小球上，制备不同β-环糊精负载量的聚苯乙烯骨架树脂，磺胺嘧啶的吸附量随pH的升高而增加，源于磺胺嘧啶分子通过苯胺环进入β-环糊精中形成包结物；MIL-101(Cr)/壳聚糖复合微球展现出比SA、CS和MIL-101(Cr)/SA更高的吸附量，而且三种药物吸附量按照KET>IBU>BEN的顺序排列。MIL-101(Cr)/CS微球在多次的吸附/脱附循环中表现出良好的再生性能；合成正电性、负电性以及中性的接枝支链聚合物修饰的壳聚糖基磁性复合粒子，壳聚糖凝胶内部的空穴空间限制导致大部分支链接在粒子的表面从而形成核刷结构，聚N-异丙基丙烯酰胺接枝壳聚糖/Fe3O4复合微粒表现出最高的吸附性能；采用甲基丙烯酸缩水甘油酯和二乙烯苯通过悬浮聚合并在二氯乙烷中后交联可获得优选吸附树脂，树脂的吸附能力与树脂比表面积、孔径大小、表面官能基团种类有关：氨基含量的增加提供了更多的可结合位点，树脂吸附量也相应增高；新型絮凝剂在Cu(II)存在条件下对四环素表现出优异的絮凝性能，粘结架桥和配位作用是主导的絮凝机理；带正电材料的π-π共轭作用更有利于TC的去除；纳米态吸附剂负zeta电位是源于富电子的π电子系统以及片层边缘-COO-的电离，对NOR具有较高的吸附能力原因在于更多的π电子系统。. 上述合成的新型凝聚-吸附材料均具有良好的可重复使用性能。项目研究成果支撑了13篇SCI源期刊论文，4项发明专利，在江苏省太湖流域集约化水禽养殖氮磷污染控制中成功建立示范工程。