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镧铁负载给水厂污泥复合材料的磷吸附性能及应用研究

镧铁负载给水厂污泥复合材料的磷吸附性能及应用研究

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作者：刘文芬北京林业大学

学位级别：硕士

磷是生物生长的重要营养元素,然而,磷作为不可再生资源面临着枯竭的风险。另一方面,人类过度消耗的磷不仅未能有效回收,反而在水中持续积累造成严重的水体富营养化。因此,水中磷的去除与回收是解决上述问题的关键。常用的除磷技术中,吸... 详细信息

磷是生物生长的重要营养元素,然而,磷作为不可再生资源面临着枯竭的风险。另一方面,人类过度消耗的磷不仅未能有效回收,反而在水中持续积累造成严重的水体富营养化。因此,水中磷的去除与回收是解决上述问题的关键。常用的除磷技术中,吸附法因其可再生回收磷资源的优势受到广泛关注。给水厂污泥（DWTR,Drinking water treatment residuals）对PO-P具有选择性吸附,但其吸附量较低。镧对PO-P具有很强的亲和力,铁元素资源丰富,若将镧和铁负载到DWTR上可提高材料的吸附性能。基于此,本研究制备出一种镧铁负载给水厂污泥复合材料（La Fe-DWTR）,探讨了其对水中PO-P的静态与动态吸附特征,评价了再生利用性能,解析了吸附机理,验证了La Fe-DWTR应用于水体除磷和底泥控磷的可行性,并进行了以完全混合反应器（CSTR,Continuous stirred tank reactor）为核心的污水中磷资源回收工艺设计,主要研究结果如下:La Fe-DWTR表面形貌呈絮状团聚体,比表面积为98.57 m/g,孔体积为0.17 m/g,镧和铁的质量浓度分别为175.10 mg/g和107.60 mg/g。La Fe-DWTR对PO-P的吸附量接近57.27 mg/g,吸附等温线符合Sips等温线模型,吸附过程趋近于多层吸附。La Fe-DWTR在最开始的2 h内对PO-P的吸附量达到最大吸附量的87.90%以上,吸附过程符合准二级动力学模型,且以化学吸附为主。La Fe-DWTR在p H 3.0～9.0的较宽范围内均能有效去除PO-P;共存离子存在的情况下对PO-P的吸附量变化仍维持在10%以内;5次吸附-脱附循环后,La Fe-DWTR的吸附量仍在初始吸附量的93%以上。吸附机理主要是La Fe-DWTR表面羟基与PO-P发生配体交换作用。当进水流速为0.5 m L/min、1.0 m L/min和1.5 m L/min时,固定床的穿透体积分别为113 BV、66 BV和43 BV;当固定床填料高度分别为0.9 cm、1.8 cm和2.7 cm时,穿透体积分别为28 BV、66 BV和113 BV。Thomas和Yoon-Nelson模型均对穿透曲线有较好的拟合效果。采用CSTR处理浓度为50 mg P/L的模拟水样,La Fe-DWTR的吸附量达到24.82 mg/g,对PO-P的去除率稳定在99%以上;处理浓度为2 mg P/L的城市污水处理厂二沉池出水,La Fe-DWTR的吸附量为12.86 mg/g,平均去除率可达到90.02%,出水磷浓度在0.2 mg/L左右,达到《城市污水处理厂污染物排放标准》一级A的排放标准限值（0.5 mg/L）。La Fe-DWTR对底泥进行覆盖或混合处理对上覆水PO-P的去除率达到96%以上;覆盖处理不能阻止底泥磷向孔隙水的释放,而混合处理对孔隙水PO-P的去除率达到97%以上,能完全阻止磷从沉积物到孔隙水中的溶解。投加La Fe-DWTR可以促进底泥中不稳定形态的磷向稳定形态的磷转化。以CSTR为核心单元的污水中磷资源回收工艺用于城市污水处理厂尾水中磷的去除与回收,设计处理规模为20000 t/d。预估工程吨水投资为937元/吨;La Fe-DWTR重复使用50次的处理成本为12.94元/吨;磷回收的净收益为17613.5元/日。

关键词：镧铁负载给水厂污泥吸附 PO43--P CSTR 底泥磷控制

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