生物炭介导的人工湿地强化生活污水净磷效能与机理研究
氮磷是污/废水中主要污染物之一，其过量存在会使植物过度生长，有诱导水体富营养化的风险。在污水处理的常用方法中，吸附法因其高效、精准且经济性好而成为近年来研究的热点。吸附法的基底材料主要来自于植物根茎叶等农林废弃物、动物骨骼和微生物等。利用廉价材料得到的吸附剂，可大大降低污染物去除的成本。但是通常单一生物基底材料对污染物质的吸附量较低，通过合理的改性可以解决这个问题。本研究以农林废弃物板栗壳为原料，高温裂解形成板栗壳生物炭(BC)，并利用氯化铁和高锰酸钾混合溶液对其改性，形成改性后的板栗壳生物炭(MBC)。探究MBC吸附磷的效果，对材料进行表征、吸附动力学和等温吸附分析探究其吸附机理，最后再将MBC应用于模拟人工湿地装置中检验其在实际应用中的效果。实验结果如下: (1)对比板栗原壳、砾石、砂石，BC和MBC对P的吸附效果更优，MBC最大吸附量达到0.7mg·g-1，在14h左右达到平衡;BC对P的最大吸附量为0.2mg·g-1，平衡后有发生微量的解吸附。 (2)通过吸附动力学和吸附等温线研究吸附机理得出:BC对P的吸附过程是单分子层的化学吸附，且吸附过程较容易进行，饱和吸附量为0.8275mg·g-1。MBC对P的吸附也是均一的单分子层化学吸附，饱和吸附量为0.788mg·g-1。溶液中共存物质抗生素的存在对MBC吸附P的影响不大。 (3)为了进一步了解生物炭对P的吸附机理，对相同粒径且全部使用去离子水洗涤烘干的板栗原壳(BL)、板栗壳生物炭(BC)和改性的板栗壳生物炭(MBC)3种材料进行表征，结果显示:SEM电镜图像显示MBC较BC和BL具有更粗糙的表面，且材料表面由于改性被带入了新的官能团，为污染物质的吸附和净化提供了更有利的物理化学基础。EDS结果证明改性的确为材料负载了新物质，且使其含氧官能团增加。傅里叶红外变换光谱结果发现BC和MBC表面的官能团主要包括:C-H、C=C、C=O、O-H、C-O，MBC吸附前后表面官能团数量发生了变化，吸附后的官能团数量减少，也证实了MBC对污染物质P的吸附是其表面官能团与污染物质发生了反应。BET结果表明BC比表面积大于BL，而MBC则表现出孔径减小的趋势，可能是由于改性使得金属盐离子填充了孔洞。XRD可以看出BC和MBC具有明显的晶体结构。XPS将物质所含元素定性定量分析，结果表明BC较BL而言C元素含量增加，O元素含量减小，这与上述实验中EDS表征的结果相似。观察MBC各元素原子比可以发现O元素的含量有所增加，原因是BC经过强氧化剂改性为生物炭表面新增了含氧官能团，与此同时Mn元素和Fe元素的含量也大幅增加。以上表征都为MBC作为人工湿地基质净化污水提供了理论支撑。 (4)MBC应用于模拟人工湿地装置中进行生活污水净化的实验结果表明:MBC确实存在更优异的净化效果，对总磷去除率增加了3.4％，对总氮的去除率较对照组平均增加23％且出水更加稳定，对氨氮去除率增加了5％，对COD平均增加了5％。为了进一步研究系统内电子转移和微生物对污染物质去除的影响，模拟人工湿地装置实验加入和耦合微生物燃料电池的对照组，并且装置运行一段时间后取基质样品进行高通量分析，结果表明，加入微生物燃料电池后，强化了系统内电子转移，促进了许多新微生物的生长和繁殖，同时强化了污染物的去除。综上所述，使用改性板栗壳生物炭强化人工湿地的方法对于目前存在污水排放超标问题的村落是可行的，且对日后同样问题的解决提供了参考。
生活污水;改性生物炭;人工湿地;净磷效能
东北农业大学
硕士
农业资源利用
魏丹;王伟
2022
中文
X799.3;X703.1
2022-11-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）