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《南京大学》 2015年
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生物质炭改性及其与微生物联合脱氮除磷研究

李丽  
【摘要】:生物质炭(biochar)在污染水体修复中的应用受到越来越多研究者的关注。作为一种低成本的吸附剂,生物质炭可以吸附多种环境污染物,包括重金属、有机污染物等。本论文在综述生物质炭的基本性质、制备方法及用途的基础上,采用不同的改性方法制备了几种改性生物质炭,系统研究了改性生物质炭对水体中氮、磷的吸附性能,探究其吸附动力学、热力学过程和影响吸附的因素等,并开展了改性生物质炭与微生物联合脱氮除磷的应用研究。主要研究结论如下:(1)利用两种典型的农业废弃物(小麦秸秆、花生壳)为原料制备生物质炭并进行后改性,制得的铁改性生物质炭对氮和磷的吸附能力得到了显著提高,改性花生壳炭、小麦秸秆炭对硝态氮的最大吸附量分别为2674 mg·kg-1和1285 mg.kg-1,对磷酸盐的最大吸附量分别为872mg·kg-1和927mg.kg-1。因此,改性花生壳炭更适用于水体硝态氮的去除,而改性小麦秸秆炭则较适用于磷酸盐的去除。准二级方程和Langmuir方程能分别较好地拟合吸附的动力学和热力学过程。研究表明改性生物质炭对氮磷的吸附适宜于在中性或酸性条件下进行,且硝酸盐和磷酸盐在改性生物质炭表面不存在强烈的竞争性吸附。(2)为了解决人工湿地水生植物不及时收割而造成二次污染的问题,利用水生植物制备改性生物质炭,为其资源化利用提供一种新的途径。选取三种常见水生植物制备前改性生物质炭,研究热解温度(400℃、50℃、600℃)、改性剂种类(钙、镁、铁)对生物质炭除磷能力的影响,得出峰值温度为500℃、改性剂为镁的水生植物生物质炭对磷的去除效率最高。镁改性芦苇炭对磷酸盐-磷理论最大吸附容量为86.21mg·g-1,这一数值是铁改性小麦秸秆炭(后改性)的93倍,且显著高于己有的研究结果。(3)生物质炭颗粒细且质地轻,在水体中易产生流失,因此利用海藻酸钠法制备固定化生物质炭。在海藻酸钠浓度为2%和炭含量为10%时,固定化改性花生壳炭微球能良好成形且具有较高的机械抗压强度。在50mL初始氮浓度为20 mg·L-1的硝酸盐溶液中,加入2 g固定化改性花生壳炭微球,24 h时硝态氮去除率达到45%。该固定化方法不会显著降低生物质炭对硝酸盐的吸附容量。(4)筛选到一株反硝化聚磷菌,经16SrDNA基因的扩增与分析鉴定为肠杆菌属(Enterobacter sp.)。摇瓶批式实验表明,该菌与改性生物质炭联用能在初始6 h内迅速去除体系中硝酸盐,去除率达到83.4%,与单独使用相比,两者联用时硝态氮浓度的降低最为迅速且去除率最高,改性生物质炭的加入显著提高了微生物反硝化脱氮的速度。对体系中亚硝态氮和铵态氮浓度的监测可以发现,联用对二者积累的浓度最低。这一结果表明改性生物质炭和该菌株联用具有显著的优越性。(5)改性生物质炭填料曝气生物滤床试验结果表明,改性生物质炭负载肠杆菌具有最高的氮磷处理效率,在9h的批式进水过程中,污水水力停留时间为1h,进水C/N为6,进水6 h后硝态氮去除率可稳定在95%左右。对比三个不同填料的小试装置对磷的去除效率,发现未改性生物质炭负载肠杆菌装置出水磷浓度呈现先下降再上升的趋势,而改性生物质炭装置则能维持90%以上的高去除率,因此,负载反硝化聚磷菌改性生物质炭曝气生物滤床在脱氮除磷效率高,具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X52;X172

【参考文献】
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