铝污泥制备LDHs覆膜人工湿地沸石基质的净化效果研究

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人工湿地由于其建造运营成本低、易于维护及处理效果好等优点,是农村生活污水处理优选工艺之一。沸石是人工湿地中一种常用填料,对氨氮具有良好的去除效果,但是其除磷能力稍差。为了提高沸石的除磷能力并降低改性成本,以给水厂铝污泥为铝源,采用酸化提取液合成层状双氢氧化物(LDHs)覆膜于人工湿地沸石基质表面制备改性沸石,分别测定原沸石、Al-Zn改性沸石及铝污泥改性沸石的表面特征和化学组分,分析等温吸附及吸附动力学特性,探讨铝污泥改性沸石的除磷性能及除磷机理;采用西安市某村生活污水为试验原水,搭建潜流人工湿地小试系统,研究铝污泥改性沸石对农村生活污水的净化效果。分析铝污泥酸化提取-LDHs覆膜改性沸石基质对COD、NH4+-N、TP和PO43--P的去除效果,探讨铝污泥酸化提取-LDHs覆膜改性沸石应用于人工湿地的可行性,为强化人工湿地除磷及实现以废治废提供一定的理论依据。主要试验结果如下:(1)酸化提取-LDHs覆膜改性人工湿地沸石基质的试验结果表明:以铝污泥酸化提取-LDHs覆膜改性沸石为对象,分析不同酸化提取条件对铝污泥中铝盐回收率的影响,确定回收铝盐的最佳酸化提取条件为60 min、150 r·min-1、pH 1.0,该条件下1 g铝污泥(干重)可提取77 mg的铝;采用扫描式电子显微镜观察原沸石及改性沸石(Al-Zn改性沸石和铝污泥改性沸石)的表面特征,X射线荧光光谱仪(XRF)分别测定三者的主要化学组分的变化,结果表明改性沸石的表面特征发生了明显地改变,其表面特征的变化与铝源的类型相关;LDHs成功覆膜于原沸石表面,以铝污泥为铝源较以化学药剂为铝源的覆膜效果更加显著;(2)改性前后沸石的除磷特性及除磷机理的研究表明:通过水热-共沉法制备LDHs覆膜改性沸石,分析原沸石和改性沸石的等温吸附和解吸特性,得出LDHs覆膜改性能够改善沸石对磷酸盐的吸附性能,提高沸石的最大吸附容量,同时也改善了沸石对磷酸盐的解吸性能,不同类型的LDHs材料覆膜改性沸石具有不同的吸附性能,铝污泥改性沸石的吸附性能更好、重复利用率更高,其理论最大吸附量从30.24 mg·kg-1提升至170.40 mg·kg-1;对比以铝污泥为铝源和以化学药剂为铝源的改性沸石对磷酸盐的吸附动力学特性,解析酸化提取-LDHs覆膜改性沸石的除磷机制,得出酸化提取-LDHs覆膜改性使沸石的主要吸附类型由物理吸附向化学吸附转变,改性前后的沸石吸附水中磷酸盐的动力学过程可以分为3个阶段,分别为快速吸附阶段、缓慢吸附阶段和吸附平衡阶段,其中限制缓慢吸附阶段的限速步骤是膜扩散和颗粒内扩散;以铝污泥为铝源制备的LDHs是一种多元LDHs材料,其覆膜改性沸石增加了沸石的吸附活性位点并丰富了沸石的孔隙结构,因此提升了铝污泥改性沸石对磷酸盐吸附性能;(3)潜流人工湿地系统对污水的净化试验结果表明:相对于原沸石,铝污泥改性沸石基质对农村生活污水的COD、NH4+-N、TP和PO43--P去除均有提升效果,对TP、PO43--P的去除效果提升明显;投加铝污泥改性沸石后,潜流人工湿地系统对COD、NH4+-N、TP和PO43--P的平均去除率分别为91.41%、98.84%、70.09%和69.25%。出水COD、NH4+-N的浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准。
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