雨水生物截留池填料对雨水中溶解性磷和重金属离子的去除研究

发布时间：2020-09-09 16:26

　　雨水生物截留池作为“海绵城市”建设中重要组成部分之一,已成为发达国家调控雨水和处理雨水的重要设施。净水厂污泥是净水过程中产生的化学污泥,具有一定吸附污染物的作用,可作为潜在的生物截留池填料。本文以溶解性磷和重金属离子(Pb~(2+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)、Zn~(2+))为目标污染物,采用膨润土、高岭土、天然沸石、粉煤灰和净水厂污泥为填料,考察了投加量和溶液pH值对5种填料的P吸附效果的影响,并通过吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学研究了净水厂污泥的磷吸附特性和重金属离子吸附特性。通过FTIR、SEM、BET对不同的净水厂污泥样品进行表征。主要研究内容和结果如下:(1)随着投加量的增加,5种填料对对照溶液和人工雨水中的P的去除率不断升高,其中净水厂污泥对水中P的去除效果最好,投加量为1g时,P的去除率达到99%。膨润土、高岭土和天然沸石受人工雨水中其他离子的影响较大,而粉煤灰和净水厂污泥受影响较小。膨润土和高岭土在中性条件下吸附效果较好,天然沸石和净水厂污泥在酸性条件下吸附效果较好,粉煤灰在碱性条件下吸附效果较好。(2)净水厂污泥对重金属离子的去除效果随投加量的增加而增加,随溶液pH值的升高而增加。(3)污染物初始浓度越高,净水厂污泥对P和重金属离子的去除率越低,单位质量污泥的吸附量越大;净水厂污泥对P和重金属离子的吸附符合Langmuir、Freundlich和Tempkin吸附等温线,污泥对P的理论最大吸附量(q_m)为7.82mg/g,在20℃和30℃下对重金属离子的理论最大吸附量(q_m)大小依次为Pb~(2+)Cd~(2+)Cu~(2+)Zn~(2+)。(4)净水厂污泥对水中P和重金属离子的吸附更符合准二级动力学模型,W-M动力学模型拟合结果表明P和重金属离子的吸附过程由液膜扩散和颗粒内扩散共同控制,Elovich动力学模型拟合结果表明P和重金属离子在污泥上的吸附是非均相的扩散过程。吸附热力学试验结果表明,温度的升高有利于吸附反应的进行,净水厂污泥对P和重金属离子的吸附为自发的、吸热的、熵增的反应。(5)对污泥的表征结果表明,净水厂污泥中主要含有羟基、酰胺基团,且吸附后的净水厂污泥的羟基和酰胺基团对应峰减弱。净水厂污泥表面比较粗糙,且分布着许多大小不一的裂缝。在裂缝中存在着大小不一且具有一定深度的孔道结构。比表面积为36.69 m~2/g,总孔体积为0.06234cm~3/g,总孔吸附平均直径为6.79nm。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X52
【部分图文】：

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雨水生物截留池结构示意图

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图 3-1 膨润土投加量对磷吸附效果的影响：(a)为对照溶液，(b)为人工雨水Fig 3-1 The impacts of different dose of bentonite on the removal of phosphorus in the solution: (a) controlsolution; (b) artificial stormwater由图 3-1 可看出，当膨润土的投加量由 2g（20g/L）增加至 10g（100g/L）时，膨润土对溶液中 P 的去除率不断升高。在对照溶液和人工雨水中，当投加量为 2g（20g/L）时，膨润土对 P 的去除率分别为 8.45%和 4.96%，膨润土对 P 的的吸附量为 0.084 mg/g和0.050 mg/g；当投加量为10（g100g/L）时，膨润土对P的去除率分别为23.34%和20.26%，膨润土对 P 的的吸附量为 0.047 mg/g 和 0.041 mg/g。膨润土对人工雨水中的 P 去除率明显低于对照溶液，原因可能是人工雨水中加入了其它阴离子，例如NO3 和Cl ，这些阴离子会与PO43 竞争吸附点位，导致 P 的去除率下降。试验结果表明，天然膨润土对水中 P的吸附量较低，去除效果较差，去除率最高时的用量为 100 g/L，若用于实际工程可能需要搭配其他种类吸附效果较好的填料使用。

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图 3-2 溶液 pH 值对膨润土磷吸附效果的影响： (a)为对照溶液，(b)为人工雨水Fig 3-2 The impacts of different pH values on the removal of phosphorus by bentonite in the solution: (a)control solution; (b) artificial stormwater由图 3-2 可看出，溶液 pH 值对膨润土的 P 吸附效果有一定的影响。在两种不同的溶液中，膨润土对 P 的去除率都存在先上升后下降的大致趋势。在对照溶液和人工雨水中，pH 值分别为 7 和 6 时，膨润土具有最好的 P 去除效果，对应的去除率分别为 22.73%和 21.46%，而在 pH 分别为 5 和 9 时，膨润土对溶液中 P 的去除率最低，分别为 14.30%和 10.27%。出现这种现象的原因可能是当溶液 pH 值过低时，膨润土的晶体结构会受到破坏，其晶格中八面体离子的溶解度大于四面体，碱金属离子、碱土金属离子溶解较快，其次是铁离子，因此膨润土对 P 的吸附能力降低。当溶液 pH 值为中性时，膨润土中有一部分交换性阳离子析出，例如 Mg2+、Ca2+、Al3+等，因而在对照溶液中 pH = 7 时去除率最高。而当 pH 值过高，溶液呈现碱性时，溶液中大量的 OH—与PO43 发生竞争性吸附，因此降低了膨润土对 P 的去除率[54]。

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