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人工湿地除磷基质研究及同步脱氮除磷填料的开发

张文娟  
【摘要】:由于藻类的过度生长,氮磷营养元素造成的水体富营养化问题越来越严重,并已成为全球环境问题,而磷往往是其限制因子,因此降低水体中氮磷的浓度是控制水体富营养化的有效途径。在过去的几十年里,很多方法被用来去除污水中的磷素,其中最普遍的是利用铁盐、铝盐等化学沉淀法,但由于该法成本高、操作复杂及产生的大量污泥难处理等缺点,在农村及小城镇应用较少。近年来利用基质对磷的吸附作用除磷应用广泛,至今为止,天然矿物、工业副产物及各种人造吸附剂等都被用来除磷。人工湿地污水处理系统因成本低、无能耗及可操作性强等优点被广泛用于各种污水的处理,其中对污水中磷的去除主要依靠基质的吸附沉淀作用,因此对人工湿地高效除磷基质的选择非常关键。此外,潜流人工湿地内部多为厌氧环境,微生物对氨氮去除效果不佳,而氨氮亦可以通过吸附或离子交换作用去除,这样可以利用湿地填充基质来净化污水中的氨氮,因此,寻找一种可以同时脱氮除磷的填料作为湿地基质显得非常必要。 本研究以人工湿地基质除磷为主线,主要研究了以下内容: (1)以中试规模潜流人工湿地(占地150 m2)为研究对象,通过分析长期监测的数据,评估了不同设计及运行参数下湿地系统对氮磷的去除效果,并探讨了污水中磷素去除的影响因素; (2)以煤渣为原料,利用金属盐(钙盐和镁盐)及盐酸对其改性,比较不同改性方法对煤渣除磷效果的影响,并进一步研究了盐酸改性煤渣对磷的吸附动力学和吸附等温线; (3)在沸石表面负载一层铁氧化物,利用铁氧化物改性沸石同步脱氮除磷。首先利用XRD及BET来表征改性材料,然后研究了影响脱氮除磷的各种因素pH值、温度、吸附剂剂量、初始浓度、离子强度及腐殖酸的存在等,最后还从吸附等温线、吸附动力学和吸附热力学的角度研究了铁氧化物改性沸石对氮磷的吸附性能。 通过以上研究,得到以下主要结果: (1)填料、植物、水位、温度及进水有机负荷对湿地系统净化磷的能力都有一定影响,但进水有机负荷及填料是最主要的因素,填充煤渣及种有风车草的湿地更有利于磷素的去除; (2)煤渣经不同改性方法改性后除磷能力得到一定提高:HClCaCl2M[gCl2,吸附量分别为47.24 mg/kg,19.58 mg/kg,14.50 mg/kg;盐酸改性煤渣对磷的吸附在24 h内达到吸附平衡,吸附符合Langmuir等温方程。 (3)与未改性沸石相比,铁氧化物改性沸石除磷效率提高了4.6倍,且没影响沸石的脱氮能力,可以达到同步脱氮除磷的效果;氮磷的吸附平衡时间分别为1h和24 h,吸附过程更符合准二级动力学;常温下,铁氧化物改性沸石对氮磷的吸附更适合Freundlich吸附等温方程,对氨氮和磷的最大吸附量分别为71.94 mg/g和1.69 mg/g;温度对氮磷吸附的影响呈相反的趋势;离子强度对改性沸石吸附氮磷也有一定影响;在环境pH值(6-9)范围内,能完成同步脱氮除磷;腐殖酸的存在会抑制铁氧化物改性沸石脱氮的除磷能力。


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