CN109231739B - 一种生物质锁磷剂及其原位去除污染水体底泥磷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，公开了一种生物质锁磷剂及其原位去除污染水体底泥磷的方法。该生物质锁磷剂包括：脱水污泥、植物纤维粉末、有机餐余垃圾、熟料及贝壳粉。将其混合于黑藻根系附近底泥，对污染水体底泥磷具有良好的去除效果。本发明采用发酵污泥和贝壳粉制备生物质锁磷剂，与大型沉水植物相结合，提供一种污染水体底泥磷原位去除方法。该生物质锁磷剂，不仅能有效控制磷释放至水体，同时能将底泥部分固态磷转换为植物可吸收磷，并能为植物提供氮、矿物元素等其他营养物质，有效结合了化学锁磷法和植物吸收的优点，达到高效原位去除底泥磷目的。

Description

一种生物质锁磷剂及其原位去除污染水体底泥磷的方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种生物质锁磷剂及其原位去除污染水体底泥磷的方法。

背景技术

湖库富营养化是全球关注的热点环境问题，大量研究发现磷是造成水体富营养化的重要营养源之一。由于长期的外源污染输入，富营养化水体底泥已成为磷库，作为内源磷直接影响水体磷含量。目前，底泥内源磷原位控制方法包括物理覆盖法、化学锁磷法以及植物吸收法。物理法和化学法均将磷保持在底泥中，长期作用下仍会向水体释放。植物吸收法主要应用大型水生植物带走底泥磷，具有去除彻底、成本低和无二次污染优点。然而底泥磷形式多样，仍然存在较多不可吸收磷，从而降低了植物吸收效率。此外，植物吸收相对缓慢，且容易受其他营养物质不足而影响生长。

中国专利申请公开号为CN101830619A的专利，公开了一种原位控制富营养化水体底泥磷释放的方法。该方法使臭氧和铁盐溶液作用于富营养化水体的底泥上覆水界面，在臭氧形成的强氧化条件下，Fe³⁺生成铁的氢氧化物絮体，通过吸附混凝或络合从上覆水中去除磷，并在底泥表层界面形成一层薄膜，进一步抑制底泥磷的释放，从而实现原位控制底泥磷释放。然而，该方法并未从根本上去除水体底泥磷，水体底泥中的磷依然会缓慢释放到水体中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物质锁磷剂及其原位去除污染水体底泥磷的方法。该生物质锁磷剂，不仅能有效控制磷释放至水体，同时能将底泥部分固态磷转换为植物可吸收磷，并能为植物提供氮、矿物元素等其他营养物质，有效结合了化学锁磷法和植物吸收的优点，达到高效原位去除底泥磷目的。

本发明的具体技术方案为：一种生物质锁磷剂，包括生物质、熟料及贝壳粉。

作为优选，所述生物质包括脱水污泥、有机餐余垃圾及植物纤维粉末，脱水污泥、有机餐余垃圾及植物纤维粉末的质量比为1:1:1～2，所述熟料与脱水污泥的质量比为1:1。

本发明的生物质锁磷剂以脱水污泥、有机餐余垃圾、植物纤维粉末、熟料及贝壳粉为原料，脱水污泥中含有大量的微生物，与有机餐余垃圾、植物纤维粉末和熟料一同发酵，能够分解植物纤维、有机餐余垃圾中容易腐败的有机质，消除有机质腐败带来的臭味，同时转变脱水污泥中的重金属的状态，将重金属离子转变成无害的结合态。本发明将脱水污泥、有机餐余垃圾等废弃物进行利用，不仅得到了锁磷效果良好的锁磷剂，同时，解决了脱水污泥、有机餐余垃圾等废弃物对环境的污染。熟料中含有丰富的矿物质，通过发酵处理，将植物无法吸收的矿物质转变成植物能够吸收的元素，并且，熟料在制备生物质锁磷剂的过程中能够降低各原料的可塑性，减少活性炭在烧制时的收缩，起骨架作用。贝壳粉中含有大量的碳酸钙，与发酵后的脱水污泥、植物纤维粉末、有机餐余垃圾、熟料一起热解能够将碳酸钙转变成生物质钙，生物质钙能够转变磷的结合形态，将底泥中的有机磷转化成无机磷，并与无机磷络合形成易被沉水植物吸收的磷。本发明的脱水污泥、有机餐余垃圾及植物纤维粉末经过发酵后再进行焙烧制备的活性碳的比表面积比直接焙烧生成的活性炭的比表面积大，对水体底泥中磷的吸附能力显著增强。活性碳将磷吸附到孔道中，利用生物质钙将植物无法吸收的有机磷转化成植物能够吸收的无机磷，然后缓慢的将无机磷释放到沉水植物的根部，利用沉水植物将无机磷吸收转化，从水体底泥中除去。脱水污泥、熟料、有机餐余垃圾及植物纤维粉末混合发酵后再与贝壳粉热解形成的生物质锁磷剂的去除水体底泥磷的效果也明显优于单独使用脱水污泥或使用脱水污泥、熟料、有机餐余垃圾及植物纤维粉末中的两种或三种。通过本发明的方法制备的活性炭和贝壳粉的结合体，锁磷的效果优于单独采用活性炭或贝壳粉。同时，本发明将脱水污泥和有机餐余垃圾重新利用，解决了二者的污染问题。

作为优选，所述植物纤维粉末为水稻秸秆粉末、稻壳粉末、玉米秸秆粉末、玉米芯粉末、小麦秸秆粉末、木屑粉末、食用菌基质粉末、薪柴粉末、树皮粉末、花生壳粉末、枝桠柴粉末、卷皮粉末和刨花粉末中的至少一种。

作为优选，所述生物质锁磷剂的制备方法包括以下步骤：

(1)制备发酵污泥：将脱水污泥、植物纤维粉末、有机餐余垃圾及熟料混合自然发酵，得发酵污泥；

(2)制备生物质锁磷剂：发酵污泥与贝壳粉混合高温热解制备生物质锁磷剂。

本发明的生物质锁磷剂的制备方法首先对脱水污泥、植物纤维粉末、有机餐余垃圾及熟料进行混合发酵，混合发酵能够除去脱水污泥和有机餐余垃圾中容易腐败的有机质，稳定生物质，同时能转变脱水污泥中重金属离子的状态。发酵污泥与贝壳粉一同焙烧，能够将贝壳粉中的碳酸钙转化成生物质钙，生物质钙对污染水体底泥磷的结合能力更强，能够将植物无法吸收的磷转化成植物能够吸收的磷。同时，通过发酵，熟料中的矿物质转变成了植物能吸收的矿物质，发酵污泥中含有大量的营养物质，能够给沉水植物提供营养。本发明制备的生物质锁磷剂的比表面积大，对磷的吸附能力强。

作为优选，步骤(1)中，所述发酵时间为1～2个月，每隔10～14h搅拌混匀1次。

发酵1～2个月，充分去除脱水污泥、植物纤维粉末和有机餐余垃圾中易腐败的有机质，发酵后得到的发酵污泥热解产生的活性炭的比表面积更大，吸附磷的能力更强。同时，混合发酵能将脱水污泥中的重金属离子转化成稳定的结合态，将熟料中的矿物质元素转化成植物能够吸收的状态。每隔10～14h搅拌混匀1次，为微生物提供氧气，使各种物料充分反应。

作为优选，步骤(2)中，所述发酵污泥与贝壳粉质量比为1～3:1。当发酵污泥与贝壳粉的质量比为1～3:1时，通过热解制备的生物质锁磷剂的效果最好。

作为优选，步骤(2)中，所述高温热解方式为经发酵污泥与贝壳粉混合后置于密封罐体进行炭化，从室温升温到380～420℃，然后在380～420℃高温热解时间3～5h，之后冷却到室温。380～420℃的热解温度能够将活性污泥中剩余的有机生物质转化成活性炭，同时又不会使其中的营养元素流失。

作为优选，所述升温的速率为2～5℃/min。较慢的升温速率使热解形成的生物质锁磷剂的孔径分布均匀。

一种利用生物质锁磷剂原位去除污染水体底泥磷的方法，具体为：将生物质锁磷剂混合于沉水植物根系附近底泥，生物质锁磷剂投加量为5～10g/L。生物质锁磷剂的投加量过多时，沉水植物生长过快，吸收水体中过多的氧，造成赤潮现象。当生物质锁磷剂的投加量过少时，水体底泥中磷的去除效果不明显。当生物质锁磷剂投加量为5～10g/L时，水体底泥中磷的去除效果明显，同时又不会对水体中的溶氧量造成不良影响。

作为优选，所述沉水植物为狐尾藻、金鱼藻、苦草、黑藻、小叶眼子菜和轮藻中的至少一种。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明采用发酵污泥和贝壳粉制备生物质锁磷剂，与大型沉水植物相结合，提供一种污染水体底泥磷原位去除方法。该生物质锁磷剂，不仅能有效控制磷释放至水体，同时能将底泥部分固态磷转换为植物可吸收磷，并能为植物提供氮、矿物元素等其他营养物质，有效结合了化学锁磷法和植物吸收的优点，达到高效原位去除底泥磷目的。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。

实施例1

一种生物质锁磷剂，包括：脱水污泥、稻壳粉末、有机餐余垃圾、熟料及贝壳粉。其制备方法包括以下步骤：

(1)制备发酵污泥：脱水污泥、熟料、有机餐余垃圾及稻壳粉末按照质量比为1:1:1:1.5的比例混合自然发酵1.5个月，每隔12h搅拌混匀1次，得发酵污泥；

(2)制备生物质锁磷剂：发酵污泥与贝壳粉以质量比为2:1的比例混合后置于密封罐体进行炭化，从室温以3℃/min的升温速率升温到400℃，然后在400℃高温热解时间34h，之后冷却到室温，得生物质锁磷剂。

一种利用生物质锁磷剂原位去除污染水体底泥磷的方法，具体为：将生物质锁磷剂混合于苦草根系附近的底泥，生物质锁磷剂投加量为8g/L。

实施例2

一种生物质锁磷剂，包括：脱水污泥、玉米秸秆粉末、有机餐余垃圾、熟料及贝壳粉。其制备方法包括以下步骤：

(1)制备发酵污泥：脱水污泥、熟料、有机餐余垃圾及玉米秸秆粉末按照质量比为1:1:1:2的比例混合自然发酵2个月，每隔14h搅拌混匀1次，得发酵污泥；

(2)制备生物质锁磷剂：发酵污泥与贝壳粉以质量比为3:1的比例混合后置于密封罐体进行炭化，从室温以5℃/min的升温速率升温到420℃，然后在420℃高温热解时间3h，之后冷却到室温，得生物质锁磷剂。

一种利用生物质锁磷剂原位去除污染水体底泥磷的方法，具体为：将生物质锁磷剂混合于金鱼藻根系附近底泥，生物质锁磷剂投加量为10g/L。

实施例3

一种生物质锁磷剂，包括：脱水污泥、木屑粉末、有机餐余垃圾、熟料及贝壳粉。其制备方法包括以下步骤：

(1)制备发酵污泥：脱水污泥、熟料、有机餐余垃圾及木屑粉末按照质量比为1:1:1:1的比例混合自然发酵1个月，每隔12h搅拌混匀1次，得发酵污泥；

(2)制备生物质锁磷剂：发酵污泥与贝壳粉以质量比为1:1的比例混合后置于密封罐体进行炭化，从室温以2℃/min的升温速率升温到380℃，然后在380℃高温热解时间5h，之后冷却到室温，得生物质锁磷剂。

一种利用生物质锁磷剂原位去除污染水体底泥磷的方法，具体为：将生物质锁磷剂混合于黑藻根系附近底泥，生物质锁磷剂投加量为7g/L。

对比例1

对比例1与实施例1的不同之处在于：对比例1的生物质锁磷剂中不包含稻壳粉末，缺失的稻壳粉末的量用有机餐余垃圾补足。其他均与实施例1相同。

对比例2

对比例2与实施例1的不同之处在于：对比例2的生物质锁磷剂中不包含稻壳粉末和有机餐余垃圾，缺失的稻壳粉末和有机餐余垃圾的量用脱水污泥补足。其他均与实施例1相同。

对比例3

对比例3与实施例1的不同之处在于：对比例3的生物质锁磷剂中不包含稻壳粉末、有机餐余垃圾和熟料，缺失的稻壳粉末、有机餐余垃圾和熟料的量用脱水污泥补足。其他均与实施例1相同。

检测实施例1～3、对比例1～3和未添加生物质锁磷剂的空白组中沉水植物的磷含量，结果如表1所示。本发明所用沉水植物为我国长江中下游湖泊中的沉水植物，长江中下游富营养的湖泊中沉水植物中的平均含磷量为4.03mg/g。

表1

组数	磷含量(mg/g)
		实施例1	40.5
实施例2	20.17
		实施例3	28.21
对比例1	13.37
		对比例2	9.13
对比例3	7.64
		空白组	4.03

由表1中数据可见利用本发明的生物质锁磷剂对污染水体底泥磷进行原位去除具有显著的效果，通过投加生物质锁磷剂于沉水植物根系附近底泥，底泥磷含量明显减少，相比未投加生物质锁磷剂空白组，投加生物质锁磷剂的沉水植物含磷量明显增高，实施例1～3与空白组中沉水植物磷含量可相差5～10倍。由于自身含磷量显著增加，沉水植物的生长高度也明显增加。实施例1与对比例1～3相比，实施例1的生物质锁磷剂的效果明显优于实施例1～3制备的生物质锁磷剂。本发明的生物质锁磷剂中将脱水污泥、熟料、有机餐余垃圾及植物纤维粉末混合发酵后再与贝壳粉发酵制备的生物质锁磷剂，相比于单一的一种或两种或三种发酵后再与贝壳粉发酵制备的生物质锁磷剂具有预料之外的优异的除磷效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物质锁磷剂，其特征在于：所述生物质锁磷剂包括生物质、熟料及贝壳粉；所述生物质包括脱水污泥、有机餐余垃圾及植物纤维粉末，脱水污泥、有机餐余垃圾及植物纤维粉末的质量比为1:1:1~2，所述熟料与脱水污泥的质量比为1:1；

所述生物质锁磷剂的制备方法包括以下步骤：

（1）制备发酵污泥：将脱水污泥、植物纤维粉末、有机餐余垃圾及熟料混合自然发酵，得发酵污泥；

（2）制备生物质锁磷剂：发酵污泥与贝壳粉混合高温热解制备生物质锁磷剂。

2.如权利要求1所述的一种生物质锁磷剂，其特征在于：所述植物纤维粉末为水稻秸秆粉末、稻壳粉末、玉米秸秆粉末、玉米芯粉末、小麦秸秆粉末、木屑粉末、食用菌基质粉末、薪柴粉末、树皮粉末、花生壳粉末、枝桠柴粉末、卷皮粉末和刨花粉末中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一种生物质锁磷剂，其特征在于：步骤（1）中，所述发酵时间为1~2个月，每隔10~14h搅拌混匀1次。

4.如权利要求1所述的一种生物质锁磷剂，其特征在于：步骤（2）中，所述发酵污泥与贝壳粉的质量比为1~3:1。

5.如权利要求1所述的一种生物质锁磷剂，其特征在于：步骤（2）中，所述高温热解方式为经发酵污泥与贝壳粉混合后置于密封罐体进行炭化，从室温升温到380~420℃，然后在380~420℃高温热解3~5h，冷却到室温。

6.如权利要求5所述的生物质锁磷剂，其特征在于：所述升温的速率为2~5℃/min。

7.一种利用如权利要求1~6任一所述的生物质锁磷剂原位去除污染水体底泥磷的方法，其特征在于：所述方法为将生物质锁磷剂混合于沉水植物根系附近底泥，生物质锁磷剂投加量为5~10g/L。

8.如权利要求7所述的一种生物质锁磷剂原位去除污染水体底泥磷的方法，其特征在于：所述沉水植物为狐尾藻、金鱼藻、苦草、黑藻、小叶眼子菜和轮藻中的至少一种。