摘要：利用市政污泥制备出了污泥水热炭（SHC），并用于抗生素氧氟沙星（LEV）的吸附。在对SHC添加量、初始LEV质量浓度和pH值等单因素优化的基础之上，开展三因素四水平正交优化，得到了最优工艺参数。在SHC添加量为120 mg、LEV质量浓度为20 mg/L和pH值为5.0条件下，对应的LEV去除率最高（99.8％）。此外，LEV吸附符合准二级动力学模型，为指导后续吸附去除实际废水中的LEV奠定了基础。

       关键词：市政污泥；水热炭；抗生素氧氟沙星；吸附

　　0引言

　　近年来，随着我国污水处理率的不断提高，污泥产量也随之逐渐增大。在全面践行生态文明建设的新时代要求下，过去“重水轻泥”的观念必须彻底扭转。因而，市政污泥的安全、快速、规模化处理处置已成为今后发展趋势[1]。目前，常规的污泥处理方法包括堆肥、热解、气化和焚烧等，但这些方法均存在一定的局限性，需不断开发新的处理技术以提高处理效率[2]。水热炭化技术是处理高含水率生物质的较为理想的路径，且能同时达到较好的除硫效果，所得水热炭是优良的吸附剂、土壤改良剂、燃料及其他功能材料[3]。此外，污泥水热炭化可实现规模化，将低值污泥高值化利用[4]。以左氧氟沙星（levofloxacin，LEV）为代表的抗生素已在医学和农业等领域得到了广泛应用。然而，由于超量使用或者不当使用，大量抗生素被排放到水体及土壤环境当中，导致敏感菌耐药性增强、耐药基因扩展和演化，从而对生态环境及人类健康造成潜在威胁。水土环境中抗生素的去除及污染治理已成为世界性研究热点。目前，针对水环境中抗生素的处理技术主要有生物法、化学氧化法、膜分离法以及吸附法等[5]。其中，吸附法因具有材料来源广泛、成本效益好、处理效率高和工程利用前景广阔等优势，是治理抗生素废水较为理想的方法[6]。采用污泥水热炭进行抗生素左氧氟沙星的吸附治理，可达到以废治废的目的，是一种可持续的绿色治理技术。本文以市政污泥水热炭（SHC）为吸附剂对LEV抗生素进行吸附，通过单因素及正交优化获得最佳吸附参数，并探讨其吸附动力学，以期为后续研究及应用提供参考。

　　1材料与方法

　　1.1实验材料

　　污泥为某市政污水处理厂脱水后的污泥，放入烘箱105℃烘干后，保存待用。左氧氟沙星（LEV，C18H20FN3O4）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司，NaOH（化学纯）和HCl（化学纯）均购自国药集团。

　　1.2实验方法

　　1.2.1污泥水热炭制备

　　称取干污泥若干分散于含去离子水的100 mL聚四氟乙烯反应釜内，在240℃温度下反应48 h，反应釜冷却至室温后，取出固相产物。用去离子水洗涤至中性，放入烘箱，105℃干燥24 h。研磨过100目筛后，保存备用。

　　1.2.2污泥水热炭吸附LEV单因素优化

　　SHC添加量对LEV去除率的影响：在150 mL锥形瓶中装入100 mL反应体系，其中，SHC添加量为60、80、100、120 mg，LEV初始质量浓度为20.0 mg/L，pH值为5.0（1 mol/L NaOH和1mol/L HCl调节pH值），于200 r/min转速、25℃条件下避光反应120 min。另设不添加吸附剂的对照组。反应结束后，固体残渣过0.22μm滤膜，测定滤液中的LEV质量浓度，并计算LEV去除率。

　　初始LEV质量浓度对LEV去除率的影响：在最优SHC添加量条件下，设置初始LEV质量浓度为20.0、22.0、24.0、26.0 mg/L，其他条件同SHC添加量对LEV去除率的影响。

　　pH值对LEV去除率的影响：在最优SHC添加量及初始LEV添加量条件下，设置pH值为3.0、5.0、7.0和9.0，其他条件同SHC添加量对LEV去除率的影响。

　　LEV去除率的计算公式如式（1）：

       式中：η为t时刻的去除率；ρ0为LEV的初始质量浓度，mg/L；ρt为t时刻溶液中LEV的质量浓度，mg/L。

　　采用紫外分光光度法测定溶液中的LEV质量浓度[7]，最大吸收波长位于为293 nm处。

　　1.2.3污泥水热炭吸附LEV正交优化

　　在所得单因素优化结果的基础上，进行SHC投加量、初始LEV质量浓度和pH值为变量的三因素四水平正交设计。

　　1.2.4吸附动力学

　　在正交优化最佳条件下，采用准二级动力学模型进行吸附动力学模拟，如式（2）所示：

       式中：qt为LEV在任何给定时间的吸附量，mg/g；qe为LEV平衡吸附量，mg/g；k2为速率常数，g/（mg·min）；t为吸附反应时间，min。

　　2结果分析与讨论

　　2.1污泥水热炭吸附LEV单因素优化结果分析

　　2.1.1 SHC投加量对LEV去除率的影响

　　当SHC投加量为60～100 mg时，随着SHC投加量的增加，LEV去除率呈显著上升的趋势，最高为99.2％，如图1所示。这是由于随着SHC投加量的增加，用于吸附LEV的活性位点也相应地增加了，从而使残留在溶液中的LEV显著减少。而当SHC投加量超过100 mg时，LEV去除率上升不明显，这是由于在一定的LEV质量浓度下，吸附剂过量，导致吸附接近饱和。经SHC吸附后，LEV去除率均大于90％，如图1所示。考虑到经济性和实用性，本实验选择SHC用量为100 mg，并进行后续单因素优化。

　　2.1.2初始LEV质量浓度对LEV去除率的影响

　　LEV去除率随着初始LEV质量浓度的增加而呈显著下降的趋势，如图2所示。初始LEV质量浓度为20 mg/L时，LEV去除率98.4％。当初始LEV质量浓度为26 mg/L时，LEV去除率为81.7％。这主要是由于在固定的SHC添加量条件下，随着初始LEV质量浓度的增加，SHC表面的活性吸附位点逐渐被LEV所占据，这与SHC添加量对LEV去除率的影响刚好相反。

　　2.1.3 pH值对LEV去除率的影响

　　LEV去除率随着pH值的增加呈现先增加、后下降的趋势，如图3所示，最大LEV去除率为98.8%（pH值为5时）。当pH值超过5时，随着pH值的上升，SHC表面正电荷逐渐减少，导致SHC与LEV分子间的静电吸引力下降。当静电引力降低时，SHC对LEV的吸附能力也会相应减弱，从而导致去除率下降[8]。

　　2.2污泥水热炭吸附LEV正交优化结果分析

　　以LEV去除率为评价指标进行正交优化，如表1、表2所示。极差R值的大小表示各因素对LEV去除率的影响，R值越大，影响越大。由此可知，影响LEV去除率的因素主次顺序为：SHC投加量＞pH值＞初始LEV质量浓度。在A4B1C2（SHC投加量为120 mg、LEV初始质量浓度为20 mg/L和pH值为5）组合条件下，可获得最大LEV去除率（99.8％）。

　　2.3吸附动力学分析

　　准二级动力学模型在拟合SHC吸附LEV的过程中展现出了良好的相关性（R2＞0.99），如表3所示。同时，速率常数k2随着初始LEV质量浓度的增加而逐渐减少，当初始LEV质量浓度从20 mg/L增加到26 mg/L时，速率常数从0.160 78 g/（mg·min）显著减少到0.008 74 g/（mg·min）。这主要是由于在SHC一定的条件下，随着LEV初始质量浓度的增加，对SHC表面活性部位的占据效应增强，直接导致了吸附速率递减。此外，初始LEV质量浓度的增加也直接导致了平衡吸附量的同步增长，从19.99 mg/g增加至24.37 mg/g。

　　3结论

　　本文利用水热法制备出的污泥水热炭对抗生素左氧氟沙星进行吸附，通过单因素及正交实验优化，获得最优工艺参数。在污泥水热炭添加量为120 mg、左氧氟沙星初始质量浓度为20 mg/L和pH值为5.0条件下，对应的LEV去除率为99.8％。吸附动力学研究表明，该吸附过程符合准二级动力学模型，可为后续用吸附法处理左氧氟沙星污染废水提供参考。

　参考文献

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　　[2]王伟，刘欢.城市污水处理厂污泥处理工艺研究[J].皮革制作与环保科技，2024（13）：182-184.

　　[3]殷琳鑫，余鋆，王智聪，等.城市污泥水热碳化的研究与应用进展[J].当代化工研究，2022（16）：4-8.

　　[4]韩闯.污泥生物炭水热制备及其对染料脱色研究[D].上海：东华大学，2017.

　　[5]张楠，殷进，高润，等.生物质炭对水环境中有机污染物去除的研究进展[J].化工新型材料，2023，51（5）：61-67.

　　[6]邓雅雯，晏彩霞，聂明华，等.生物炭对抗生素的吸附/解吸研究进展[J].环境污染与防治，2020，42（3）：376-384.

　　[7]孙影，李美璇，彭举威，等.用Fenton技术去除水中盐酸左氧氟沙星[J].吉林大学学报（理学版），2018，56（2）：446-451.

　　[8]张倩茹.功能生物炭对畜禽养殖用抗生素吸附机制研究[D].北京：中国农业科学院，2023.