CN104628137B - 一种改性生物质炭‑人工湿地耦合处理含磷污水的方法 - Google Patents

一种改性生物质炭‑人工湿地耦合处理含磷污水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性生物质炭‑人工湿地耦合处理含磷污水的方法，在人工湿地的土壤层上种植水生植物；水生植物的收获季节采集生物体，将其制成改性生物质炭；再将改性生物质炭投入到人工湿地中，继续种植水生植物，以此循环。与现有技术相比，本发明克服了易受气候温度影响、水生植物处置和基质吸附饱和磷再释放等问题，且在对污水处理，尤其是人工湿地中磷元素处理上有着更为显著的效果。

Description

一种改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法。
背景技术
磷是地球系统中维系生命的主要元素之一，也是构成生物体并参与新陈代谢过程必不可少的元素。元素的丰缺、磷环境的优劣将直接影响包括人在内的一切生物的生长发育。近年来，河流、湖泊、海洋等水域的水质有恶化的现象，特别是富营养化问题时有发生，而且有愈来愈严重的趋势。富营养化不仅使水体丧失应有功能，而且使水体生态环境向不利于人类的方向演变。其中，磷是引起水体富营养化的关键营养物质。一般来讲，水体中总磷质量浓度超过0.020mg/L，即可认为水体处于富营养化。
人工湿地是由天然湿地发展而来，通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地生态系统。作为一种污水生态处理工程新技术，人工湿地利用自然生态系统中的物理化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化作用，使水质得到改善，实现对废水的生态化处理.与传统的污水处理技术相比，人工湿地污水处理系统具有出水水质稳定投资低耗能低抗冲击力强操作简单运行费用低等特点。
人工湿地因其独特的优势得到了广泛应用，但是在应用过程中也暴露了很多问题，包括易受气候温度影响、水生植物处置和基质吸附饱和磷再释放等问题。目前，一种实用性好的人工湿地处理污水的系统，是社会所亟需的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单且实用性好的利用生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，能够有效去除污水中的磷，同时解决现有技术所存在的易受气候温度影响、水生植物处置和基质吸附饱和磷再释放等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，在人工湿地的填料层上种植水生植物；水生植物的收获季节采集其制成改性生物质炭；再将改性生物质炭填投入人工湿地的填料层中，继续人工湿地的土壤层上种植水生植物，以此循环。
其中，所述的人工湿地为普通水平流潜流式人工湿地，从上到下包括填料层和隔水层。
其中，所述的水生植物为芦苇、菖蒲、香蒲和鸢尾中的任意一种或者几种的组合。
其中，将水生植物制成改性生物质炭的方法，包括如下步骤：
(1)将水生植物风干磨碎成粉末；
(2)将步骤(1)得到的粉末在金属离子水溶液中浸泡，所述的金属离子水溶液为镁盐水溶液、或钙盐水溶液、或铁盐水溶液；
(3)先将步骤(2)所得的混合体系烘干，然后再置于马弗炉中，在400～600℃下保持1～2h，冷却至室温后得到炭化产物；
(4)将步骤(3)所得的炭化产物用水清洗3次，干燥后研磨过1mm孔径筛，筛选后得到改性生物质炭。
步骤(2)中，所述的镁盐为MgCl2·6H2O；所述的钙盐为CaCl2；所述的铁盐为FeCl3；金属离子水溶液中，金属离子的浓度为0.6～1.0g/mL；浸泡时间为2～4h。
步骤(3)中，烘干温度为60～90℃。
步骤(3)中，将烘干后的物料装入陶瓷坩埚中，压实后用锡箔纸包裹并盖好盖子后再置于马弗炉中，然后以10℃·min-1升温至400～600℃。
步骤(4)中，干燥温度为95～100℃。
其中，将改性生物质炭投入人工湿地的填料层中，具体方法为将改性生物质炭、砂石以及土壤混合后作为人工湿地的填料层。
其中，改性生物质炭、砂石、土壤三者的质量比为10～20：80～150：100，优选1：5：5。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)本发明对污水的处理以改性生物质炭为主，水生植物根系吸收为辅，受温度影响较小；
(2)本发明方法中所用芦苇、菖蒲和香蒲在具有除污作用的同时，还具有较高的经济价值和观赏价值，有效解决占地面积大所带来的成本过高的问题。
(3)每年秋冬在对水生植物进行采集后都可以制备得到新的改性生物质炭，并添加到填料层中，提高冬季除磷效率。
(4)本发明方法在对污水处理，尤其是人工湿地中磷元素处理上有着更为显著的效果。
附图说明
图1为不同改性剂制备所得生物质炭对磷的吸附能力。
图2为不同原料和制备温度下生物质炭的产率。
图3为镁改性生物质炭吸附磷的动力学曲线。
图4为实施例3中生物质炭-潜流式人工湿地耦合系统示意图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
2012年3～4月时在人工湿地的土壤层上种植芦苇、菖蒲和香蒲各1/3面积。6～7月时采集香蒲的花粉。秋季芦苇和菖蒲未完全枯黄时将芦苇、菖蒲和香蒲连根挖出，将其制成改性生物质炭，具体步骤如下：
(1)将水生植物的剩余部分风干磨碎成粉末；
(2)将步骤(1)得到的粉末在镁离子浓度为0.8g/mL的MgCl2·6H2O水溶液中浸泡；
(3)先将步骤(2)所得的混合体系烘干，然后再置于马弗炉中，在400～600℃(最佳稳定500℃)下保持1h，冷却至室温后得到炭化产物；
(4)将步骤(3)所得的炭化产物用水清洗3次，干燥后研磨过1mm孔径筛，筛选后得到改性生物质炭。
将改性生物质炭与砂石混合后加入至人工湿地的填料层上。
继续人工湿地的土壤层上种植水生植物，以此循环。
实施例2：改性生物质炭-人工湿地除磷能力测定
(1)选取芦苇、菖蒲和香蒲三种水生植物，风干磨碎成直径2mm左右的粉末，分别记为l，C和K；
(2)将步骤(1)中三种粉末均平分为4份，分别在水、CaCl2水溶液、MgCl2·6H2O 水溶液和FeCl3水溶液中浸泡2h，得到C～CK、C～Ca、C～Mg、C～Fe、l～CK、l～Ca、l～Mg、l～Fe、X～CK、X～Ca、X～Mg和X～Fe12组样品；其中，溶液中金属离子的浓度均为0.8g/mL；
(3)将步骤(2)中所得的每组样品在80℃下烘干，再分别分成3份，装入陶瓷坩埚中，压实后用锡箔纸包裹并盖好盖子后分别放入400℃、500℃和600℃的马弗炉中，保持1h，冷却至室温后得到炭化产物
(4)将步骤(3)中所得的炭化产物用水清洗3次，干燥后磨细，用1mm孔径筛筛选后得到改性生物质炭。
上述实验所得的各组改性生物质炭对磷的吸附能力见图1。
可以看出，钙、镁、铁三种改性方法均能显著提高生物质炭对磷的吸附能力。其中，500℃下通过镁改性所得的改性生物质炭对磷的吸附能力最强；在此改性条件下，菖蒲，香蒲和芦苇所制得的改性生物质对磷的吸附能力无较大差别。
上述实验中，各组改性生物质炭的产率见图2。
可以看出，随着温度的升高，生物质炭的产率不断下降。原材料的不同导致生物质炭的产率也有所不同，三种植物中，菖蒲的产率最高。不同改性方法制得的生物质炭产率差异较大，Ca、Fe改性组产率明显高于Mg改性组和未改性组。
实施例3：改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水
(1)采用生物质炭～潜流式人工湿地耦合系统(如图4)，上面30cm的基质为填料层，下面10cm为隔水层，其中，填料层中基质为土+石英砂+改性生物炭(土、石英砂和改性生物炭质量比5:5:1，土壤为常规的稻田土，石英砂粒径0.5cm)，种植常绿水生鸢尾，密度13株/m2。
(2)将步骤(1)中采用上进水下出水的水流方式，水力停留时间为72h。
(3)测定进出水中总磷和溶解性磷浓度，在进水总磷和溶解性无机磷浓度分别为0.163mg/L和0.093mg/L，出水总磷和溶解性无机磷浓度分别为0.089mg/L和0.021mg/L，去除率分别达到45.70％和77.95％。

Claims (9)

1.一种改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，在人工湿地的填料层上种植水生植物；水生植物的收获季节采集生物体，将其制成改性生物质炭；再将改性生物质炭投入到人工湿地中，继续种植水生植物，以此循环；
其中，将水生植物制成改性生物质炭的方法，包括如下步骤：
(1)将水生植物风干磨碎成粉末；
(2)将步骤(1)得到的粉末在金属离子水溶液中浸泡，所述的金属离子水溶液为镁盐水溶液、或钙盐水溶液、或铁盐水溶液；
(3)先将步骤(2)所得的混合体系烘干，然后再置于马弗炉中，在400～600℃下保持1～2h，冷却至室温后得到炭化产物；
(4)将步骤(3)所得的炭化产物用水清洗3次，干燥后研磨过1mm孔径筛，筛选后得到改性生物质炭。
2.根据权利要求1所述的改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，所述的人工湿地为水平流潜流式人工湿地，从上到下包括填料层和隔水层。
3.根据权利要求1所述的改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，所述的水生植物为芦苇、菖蒲、香蒲和鸢尾中的任意一种或者几种的组合。
4.根据权利要求1所述的改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的镁盐为MgCl2·6H2O；所述的钙盐为CaCl2；所述的铁盐为FeCl3；金属离子水溶液中，金属离子的浓度为0.6～1.0g/mL；浸泡时间为2～4h。
5.根据权利要求1所述的生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，步骤(3)中，烘干温度为60～90℃。
6.根据权利要求1所述的改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，步骤(3)中，将烘干后的物料装入陶瓷坩埚中，压实后用锡箔纸包裹并盖好盖子后再置于马弗炉中，然后以10℃·min-1升温至400～600℃。
7.根据权利要求1所述的改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，步骤(4)中，干燥温度为95～100℃。
8.根据权利要求1所述的改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，将改性生物质炭加入到人工湿地的填料层中，具体方法为将改性生物质炭、砂石以及土壤混合后作为人工湿地的填料层。
9.根据权利要求8所述的改性生物质炭-人工湿地耦合处理含磷污水的方法，其特征在于，改性生物质炭、砂石、土壤三者的质量比为10～20：80～150：100。
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