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生物炭的特性分析及其在黄水资源化中的应用

谢淘  
【摘要】:面对我国城市化进程中污水氮磷处理与土壤贫瘠化的问题,从源头上实现尿液废水(即黄水)分离式收集,利用生物炭对营养元素的吸附性能进行黄水资源化处理,得到可应用于贫瘠土壤改良的缓释肥料,在减轻污水中氮磷处理压力的同时,改善土壤肥力,可获得保护环境与农业增产的双赢,实现可持续发展。本论文基于对生物炭制备条件和基本特性的分析,以生物炭回收利用黄水中氮磷资源为研究目标,研发了生物炭和镁盐投加联合吸附工艺,构建了以饱和生物炭为缓释肥料的农业资源循环系统。研究了不同原料在不同预处理和热解条件下制备的生物炭的基本性质及其对营养元素的吸附性能。发现秸秆生物炭表面具有更多亲水性和极性官能团,对氨氮的吸附效果较好,吸附量达到约8.8~10.1mg/g;而木质生物炭的吸附量只有4.5~5.2mg/g,与活性炭的吸附效果(约为5mg/g)相当。氨氮吸附效果同时受热解温度和时长的影响。镁负载可强化生物炭对磷的回收。开展了摇床试验和柱状连续运行实验,优化了生物炭对氮磷吸附捕获过程的参数,探讨了吸附作用机理。生物炭和镁盐的联合投加可实现氮磷的同步回收,投加量、初始浓度以及吸附时长等条件参数均会影响生物炭的吸附效率。吸附过程可通过二级吸附动力学以及Freundlich吸附等温线模型拟合。同时,揭示了吸附机理,主要包括正负电荷结合、离子交换和结晶沉淀等作用机理。柱状反应器的运行工况对生物炭的饱和吸附容量存在显著影响,以混合方式填充了MgO的上升流反应器在低流速下运行效果最佳。连续运行的生物炭吸附柱能保证出水中氨氮浓度长期维持在较低水平,生物炭对氨氮的饱和吸附量最终可达到20mg/g以上,优于全混流反应器的运行结果。研究了饱和生物炭作为缓释肥料对于农业土壤性质和作物生长的影响,分析了以生物炭为核心的农业资源循环系统的环境及经济效益。缓释肥的投加对于两种所选作物的发芽率、生长速率以及最终产量都有所增强,对不同作物的影响效果不同。缓释肥的投加同时改善了土壤性质,使土壤pH升高,增强其对营养元素的固定能力。综上所述,以生物炭为核心的农业资源循环系统对于我国固体废弃物和污水处理、资源回收和利用均有重要意义,具有广阔的应用前景。


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