新型铝污泥基质截留农田氮磷污染实验研究

发布时间：2020-06-01 18:22

【摘要】：给水厂铝污泥是城市自来水厂的副产物,本研究通过响应面法优化制备条件将其颗粒化,并通过对其进行有机改性提高对氮、磷污染物的吸附性能,由此研发出一种新型铝污泥基质填料应用于构建模拟潮汐流人工湿地,通过改变进水规律创造好氧/缺氧循环的微观环境提高微生物活性,并探究其在不同水力停留时间条件下对农田排水中氮、磷污染物的截留能力。本研究首先使用氯代十六烷基吡啶(CPC)对铝污泥粉末进行改性,通过SEM、XRD和EDS等表征技术对制备的铝污泥基质表面特征和组成结构进行研究和分析。SEM表征结果发现铝污泥改性后表面呈现凹凸不平和疏松多孔,比表面积增大;XRD分析出铝污泥成分较复杂,含有多种金属化合物,其中含有大量的SiO_2和较少量的AlPO_4;EDS分析表明铝污泥主要由C、O、Al和Si构成,此外还含有少量的Fe、Mg、K等元素。继而用铝污泥粉末造粒得到新型颗粒状铝污泥基质(GASM),通过SEM表征可以看到其外表面粗糙、沟壑较多,内部孔隙发达且大多互相连通;XRD分析出GASM中Al元素主要是以非晶态形式AlPO_4存在的,因此对阴离子具有较强的吸附能力;EDS表征结果发现由于添加剂硅酸钠的加入使得GASM中的Al、C元素含量有所降低,Si元素的含量有所提高,表明基质中SiO_2的含量增加。为探讨铝污泥改性后对氮、磷污染物的吸附效果,对CPC改性铝污泥粉末进行静态吸附实验,并通过正交试验考察投加量、初始溶液浓度和初始pH值变化对实验影响的显著性,随后进行吸附动力学和吸附等温线实验验证其吸附机理,最后通过解吸实验考察可重复利用性。实验结果表明:经过改性,铝污泥粉末对磷的吸附效果提升明显,但对硝酸盐氮的吸附效果提升有限,在酸性条件下对磷酸盐和硝酸盐氮的吸附效果明显优于碱性条件;正交实验可知吸附的影响因素按影响大小顺序为:pH投加量磷的初始浓度反应时间,方差分析可知pH值是实验显著影响因素;动力学实验表明CPC改性铝污泥粉末对磷的吸附过程是有利吸附,主要机制是静电吸引和离子交换;在对硝酸盐氮的吸附过程中化学吸附和颗粒内扩散起到了主导作用;吸附等温线实验拟合得到其对磷的最大单位吸附量为5.3mg/g;解吸实验结果表明其具有可重复利用性。基于响应面法优化铝污泥基质造粒试验可知,煅烧温度、原料配比和添加剂比例三个因素对GASM综合指标的影响是交互进行的。添加剂比例为中心值时,铝污泥比例和煅烧温度的交互影响最显著,优化得到GASM最优的制备条件为:煅烧温度约1010℃,铝污泥与粉煤灰比例73:27,添加剂比例11%。以最优制备条件得到GASM,并对其进行改性,将基于CPC改性的GASM应用于模拟构建的潮汐流人工湿地实验装置,实验结果表明:随着水力停留时间的增加,总氮和总磷的去除率呈先增后减的趋势,最佳水力停留时间为12h,对模拟农田排水中总氮和总磷的最大去除率分别达到54.58%、72.91%,表现出较好的去除效果。由于时间及实验条件限制,本研究还存在一些不足有待后续补充研究,比如本研究中CPC改性铝污泥粉末对硝酸盐氮的吸附效果与预期差异较大;本研究所模拟构建的潮汐流人工湿地也应进一步进行中试实验,其中可以添加挺水植物,以便发挥植物吸收作用使农田排水中的氮、磷污染物截留效果更好。
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水体富营养化

农业面源污染是我国目前较突出的环境问题之一，近年来，由于我国部分地区的农田大量施用氮、磷化肥以提升单位面积粮食产量，导致化肥的利用效率越来越低，氮、磷流失的风险越来越大[1]，农田中的化肥（特别是氮肥和磷肥）在大气降水或农田灌溉过程中，通过农田地表径流及地下水迁移被带进水体而造成农业面源污染，对农田附近水体造成的负荷不断增加[2]。农田氮、磷污染导致农田附近水体水质逐渐恶化，致使水体严重富营养化，同时也引起了地下水水质超标。有文献显示，，某地区施用的化肥，有效利用率仅有 30~40%左右[3]，大部分氮肥和磷肥的径流损失和淋溶损失使得地表水和地下水氮、磷含量很高[4]；另有统计数据显示我国的富营养化水体约占总数的 63.6%，太湖、巢湖和滇池等部分农业高产地区总氮和总磷的浓度是 20 世纪 80 年代初的 10 倍以上，超过 50%的氮、磷污染负荷是来自农业面源污染[5-7]，其中硝态氮是农田地表径流无机氮流失的主要成分，由于硝酸盐在水体中具有较高的稳定性，水体中含量过高的的硝酸盐对环境和人体健康都会造成不良影响，同时水体中较高浓度的磷酸盐（含量大于 0.01~0.02ppm）会造成水体富营养化，使水质恶化，水体较难自净和恢复到正常状态[8]，因此如何控制农田面源污染，经济高效的阻控氮、磷元素由农田向其附近水体转移成为一个急需解决的环境问题。

污泥,锥形瓶,改性方法

冷却至室温后保存备用。2.2.3 CPC 改性 GASM 制备将 GASM 成品使用一定浓度的 CPC 进行改性，具体改性方法：称取适量 GASM置于 150mL 锥形瓶，加入配置好的一定浓度的 CPC 溶液，将锥形瓶密封后置于 30℃恒温水浴振荡器中以 120r/min 的频率振荡，振荡 24h 后取出固体颗粒并用超纯水反复冲洗以彻底洗净，洗净的标志为清洗上清液使用 AgNO3检测没有乳白色沉淀产生[18]，随后将 CPC 改性 GASM 置于 50℃烘箱烘干备用。2.3 改性铝污泥粉末表征2.3.1 扫描电镜（SEM）分析铝污泥改性前后的电镜扫描结果如下图所示，图(a)为原始态铝污泥，图(b)为 CP改性铝污泥，放大倍数为 5000 倍。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X712

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