基于泥炭沸石的合成材料配比及其处理微污染水体实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 1.8MB 66 页 15积分

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摘要

本论文目的是研究以天然泥炭和天然沸石为原材料、水泥为粘结剂进行合成

研制出新型环保合成材料，该合成材料既具备脱氮除磷功能，又具备一定的抗压

强度，还可以在水体中保持一定的形态。论文主要研究内容包括合成材料的研制、

合成材料对氮磷的静态吸附性能、合成材料对氮磷的动态吸附性能以及合成材料

的生物再生，并通过吸附等温线模型、热力学、动力学研究解析了合成材料对氮

磷的吸附机理，为合成材料生物滤池提供数据基础。

首先，通过合成材料的成型实验、发泡剂添加量实验和抗压强度实验确定该

合成材料的最优质量配比为水泥：天然沸石：天然泥炭=1:2:0.05。通过电镜扫描观

察可知按最优质量配比制备成的合成材料，在保持一定天然沸石和天然泥炭吸附

能力的同时，又形成了许多微小孔道，进一步提高了其吸附性能。

其次，在静态吸附条件下，合成材料对氨氮和总磷的吸附符合 Langmuir 等温

方程，且其吸附动力学过程符合准二级动力学模型。

最后，在静态实验数据分析的基础上，构建了合成材料生物滤池装置系统。

实验研究合成材料表面形成生物膜后对污染物去除的机理及其效果，结果表明：

该装置具备良好的生物去除污染物效果，运行稳定后，CODCr、NH4+-N 和TP 去除

率分别可达 40%、17.5%和16%左右；生物作用对合成材料有一定的再生作用，为

实现材料持续使用提供技术支撑。

关键词：天然泥炭天然沸石水泥合成材料脱氮除磷生物滤池

ABSTRACT

The research objective of this dissertation is to develop a new type of

environmentally friendly synthetic material with certain strength and removal function

of ammonium nitrogen and phosphorus removal with natural zeolite and peat as raw

materials and cement as binder. The main contents of the dissertation include the

development of synthetic materials, nitrogen and phosphorus adsorption properties of

synthetic materials, nitrogen and phosphorus adsorption performance of synthetic

materials and biological regeneration of synthetic materials. According to analysis of

adsorption isotherm, thermodynamics and kinetics on nitrogen and phosphorus

adsorption, we got adsorption mechanism of synthetic materials, which afford data for

biological filter.

First of all, through the material forming experiments, foaming agent addition

experiments and compressive strength test，we determine the optimal mass ratio of

synthetic materials that is cement: natural zeolite: natural peat =1:2:0.05. According to

the result of scanning electron microscopy observation we find synthetic materials

further improve its adsorption properties while maintaining natural zeolite and natural

peat adsorption capacity, with forming many tiny holes.

Secondly, in static adsorption experiments we find ammonia nitrogen and

phosphorus adsorption of synthetic materials agree with Langmuir isothermal equation,

and the adsorption kinetics follow with quasi two level dynamic model.

Finally, with the static experiment data analysis, synthetic materials biological

filter device has been built. Experimental study has been carried out on pollutant

removal mechanism and effect by forming biofilms. The results showed that the device

got good biological contaminant removal effect with the stable removal rate of CODCr,

NH4+-N and TP for 40%, 17.5% and 16%. Biological role have a certain effect for

regeneration of synthetic materials, and provide technical support for sustainable use of

material.

Key Word: natural peat, natural zeolite, cement, synthetic materials,

nitrogen and phosphorus removal, organism filter

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................................................................................... 1

1.1 我国水资源概况 .................................................................................................... 1

1.1.1 城市水资源短缺及污染现状 .......................................................................... 2

1.1.2 城市污水处理及回用现状 .............................................................................. 4

1.2 吸附技术在水处理中的应用 ................................................................................. 6

1.2.1 吸附理论 .......................................................................................................... 6

1.2.2 常用的吸附材料 .............................................................................................. 7

1.2.3 吸附法在各类水体中的应用现状 .................................................................. 9

1.3 吸附材料的生物再生 ........................................................................................... 14

1.4 主要研究内容 ....................................................................................................... 15

1.4.1 研究意义与目的 ............................................................................................ 15

1.4.2 主要研究内容 ................................................................................................ 15

1.4.3 课题来源 ........................................................................................................ 16

第二章合成材料的研制 ............................................................................................... 17

2.1 材料选取 ............................................................................................................... 17

2.1.1 天然泥炭 ........................................................................................................ 17

2.1.2 天然沸石 ........................................................................................................ 19

2.1.3 普通硅酸盐水泥 ............................................................................................ 21

2.1.4 发泡（致孔）剂 ............................................................................................ 22

2.2 实验分析方法与主要仪器 ................................................................................... 23

2.3 材料成型方法 ....................................................................................................... 25

2.4 合成材料的研制 ................................................................................................... 26

2.4.1 粘合剂的选取 ................................................................................................ 26

2.4.2 合成材料的成型实验 .................................................................................... 27

2.4.3 合成材料发泡剂添加量实验 ........................................................................ 28

2.4.3 合成材料的抗压强度实验 ............................................................................ 29

2.4.2 合成材料的表面特征 .................................................................................... 29

第三章合成材料吸附性能静态实验研究 ................................................................... 31

3.1 合成材料脱氮静态实验研究 ............................................................................... 31

3.1.1 吸附动力学实验 ............................................................................................ 31

3.1.2 吸附等温实验 ................................................................................................ 32

3.1.3 吸附等温曲线拟合 ........................................................................................ 34

3.2 合成材料除磷静态实验研究 ............................................................................... 35

3.2.1 吸附动力学实验 ............................................................................................ 35

3.2.2 吸附等温实验 ................................................................................................ 36

3.2.3 吸附等温曲线拟合 ........................................................................................ 37

第四章合成材料处理水污染静态实验研究 ............................................................... 39

4.1 不同总磷浓度下合成材料处理水污染静态实验研究 ....................................... 39

4.2 不同氨氮浓度下合成材料处理水污染静态实验研究 ....................................... 41

第五章合成材料处理水污染动态实验研究 ............................................................... 45

5.1 合成材料生物滤池工艺设计 ............................................................................... 45

5.1.1 设计基本原则 ................................................................................................ 45

5.1.2 工艺设计 ........................................................................................................ 45

5.1.3 生物滤池设计计算 ........................................................................................ 46

5.2 合成材料处理水污染动态实验研究 ................................................................... 47

5.2.1 实验内容 ........................................................................................................ 47

5.2.2 实验结果与分析 ............................................................................................ 48

第六章结论与建议 ....................................................................................................... 55

6.1 结论 ....................................................................................................................... 55

6.2 建议 ....................................................................................................................... 55

参考文献 ......................................................................................................................... 57

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ................................................. 63

致谢 ………………………………………………………………………………...64

第一章绪论

1.1 我国水资源概况

我国是一个严重缺水的国家，水资源总量为 2.8 万亿 m3。其中，地表水为 2.7

万亿 m3，地下水为 0.83 万亿 m3，由于地表水与地下水相互转换、互为补给，扣

除两者重复计算量 0.73 万亿 m3，与河川径流不重复的地下水资源量约为 0.1 万亿

m3。据统计，我国 668座城市中有 400 多座城市缺水，三分之二的城市存在

供水不足，全国城市年缺水量为 60 亿m3左右，其中缺水比较严重的城市有

110 个。大量淡水资源集中在南方，北方淡水资源只有南方水资源的 1/4[1]。

按照国际公认的标准，人均水资源低于 3000m3为轻度缺水，人均水资源低于

2000m3为中度缺水，人均水资源低于 1000m3为严重缺水，人均水资源低于 500m3

为极度缺水。我国人均水资源量 2210m3 [2]，而南方人均水资源量达到 3600m3以上，

北方人均水资源量只有 720m3。

除了缺水，我国水污染问题相当突出。七大水系水质总体为中度污染，浙

闽区域河流水质为轻度污染，西北区域诸河水质较优，西南区域诸河水质较好，

湖泊（水库）富营养化的问题较突出。河流主要是受到有机物的污染，污染物主

要是氨氮、石油类、高锰酸盐等；湖泊（水库）主要以富营养化为特征，主要污

染指标为总氮、总磷、化学需氧量等；近岸海域主要污染指标为活性磷酸盐、无

机氮、重金属。同时随着经济和人口的发展，废水排放量逐年增加 2.7%左右。可

见，我国水环境问题形势严峻。根据对七大水系断面监测，达到Ⅲ类水质可以

进入自来水厂的最低要求的仅占 29.5%，而劣Ⅴ类水质却高达 44%。滇池、太

湖、淮河、辽河、海河及巢湖，其主要的污染物排放总量一直居高不下。淮河流

域有一半的支流水质污染十分严重，辽河和海河生态用水十分缺乏，其中，内蒙

古的西辽河已经连续五年断流。滇池、巢湖及太湖均为劣Ⅴ类水质，总氮和总磷

等污染非常严重。以黄河为例，工业废水是造成黄河水污染的主要原因，占污水

排放总量的 73%，每年由于水污染造成的经济损失约 115 亿元至 156 亿元。同时，

令人十分担忧的是，黄河地区许多农田被迫使用污水进行灌溉，给区域内居民的

健康造成危害。据初步测算，每年区域内的人体健康损失达 22 亿至 27 亿元[3]。黄

河水污染的同时还带来了城镇供水损失及水资源价值损失等，并且还增加了污水

处理的市政额外投资，每年总损失近 60 亿元。

因此，日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水

资源短缺的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且

还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民的健康。

基于泥炭沸石的合成材料配比及其处理微污染水体实验研究

1.1.1 城市水资源短缺及污染现状

随着我国城市化水平的不断提高，城市正面临着以下三个方面的压力，城市

水资源污染、城市水资源紧缺和城市雨洪灾害。

1）水资源污染

城市水环境问题主要是水体受到污染而造成的水质恶化，这些受污染的水体

往往就近排入湖泊或者河流。因此，城市水环境质量下降明显，这对我国城市水

环境构成了严重威胁。

一般来说，造成城市水体污染的原因可分为以下五种：

（1）点源污染

①工业废水

工业废水所含污染物质的成分非常复杂，而且排放量大，常常伴有毒性，经

过常规工艺处理后，也很难达到排放标准。此外，很多工业废水温度较高，易造

成热污染，当汇入水体时，水体升温，则会促进水中藻类的繁殖，极易造成水体

富营养化现象。

②生活污水

随着城市人口密度、总量的增加和经济的发展，城市生产与生活的污水排放

量呈现几何倍数的增长，通常这类受到微量或者痕量有害有机物污染的水体称为

微污染水体[4]。生活污水中主要包含大量的氮磷以及碳水化合物等，进入水体后会

造成水中溶解氧降低，促进水体富营养化。

③垃圾渗滤液

城市人口集中，垃圾生产量极大，露天堆放的垃圾经雨水侵蚀冲刷，使得大

量的有害物质进入水体。尤其是沿河堆放的生活垃圾，不仅严重影响水体美观，

而且会造成河道淤积、黑臭。

（2）非点源污染

水体的非点源污染主要包括城市地表径流以及上游农业区产生的农业径流，

城市郊区的农业径流含有大量的有机物农药等有毒污染物。降雨时，城区上空的

雨水带走了空气中大量的污染物，落到水体中，对水体造成了严重的污染。

（3）人为活动

人类一些不文明的行为也会对水体造成污染，导致水质恶化。如养殖鱼类时，

过量投放的鱼饵饲料以及鱼类排泄物都会对水体造成污染。

（4）地下水的污染

工业以及农业排出的废水含有大量的污染物，如氮、磷以及有机物等，这些

污染物渗入地下，对地下水造成了污染。

第一章绪论

（5）藻类的入侵

一些藻类（如蓝绿藻）的孢子可通过空气传播，能够在水中繁殖并快速生长，

有关研究显示，这些藻类大约 20 分钟即可繁殖一代。此外，藻类的生长会消耗掉

水体中大量的溶解氧，使水中溶解氧下降，从而导致水质恶化。死亡的藻类会产

生有毒物质，当有毒物质浓度超标时，会导致鱼类大量死亡。

现在全国 90%以上的城市水体受到严重污染，50%的重点城镇集中饮水水源已

不符合取水标准[5]。如郑州的金水河、北京的凉水河和通惠河、济南的小清河、南

京的秦淮河等的水质为Ⅴ类或劣Ⅴ类水。城市内部河流污染则更加严重，如深圳

市内八条河流水质均为劣Ⅴ类水[6]。城市湖泊水质急剧下降，据 2008 环境公报显

示，重点国控的 5个城市内湖中，除昆明湖（北京）为Ⅳ类水质外，西湖（杭州）、

东湖（武汉）、玄武湖（南京）、大明湖（济南）均为劣Ⅴ类。不仅如此，城市

地下水水质也在急速下降，在全国 118 个主要城市中，64%的城市地下水受到严重

污染，33%的城市地下水受到轻度污染[7]。

2）水资源紧缺

城市的快速发展，导致水资源短缺，水的供需矛盾突出，这已成为制约我国

城市发展的瓶颈。水量不足主要表现为水量性缺水与水质性缺水。由于北方地区

降水量小，地表径流量小，每年人均水资源量仅为 720m3，并不能满足随经济发展

而日益增长的用水量需求，因而造成城市水资源短缺。南方降水比较丰富，而且

径流量较大，每年人均水资源量达 3600m3，尽管城市用水绝对数量大，理论上也

能够满足城市发展对水的需求。但是，由于城市水污染严重，水质恶化，使大量

的水失去应有的各种功能，造成水质性缺水[8]。而北方城市水资源严重不足，再加

上水质性缺水，已造成城市用水十分紧张。在现有的全国 668 个城市中，城市供

水普及率只达到 83%，而发达国家城市供水普及率已经基本达到 100%。全国有 400

个城市缺水，其中 100 多个城市严重缺水，主要分布在东北、华北、沿海和西北

地区，许多城市已实行限时限量用水。有资料表明，全国城市日缺水量约为 2000

万m3，每年因缺水减少的工业产值高达 2500 亿元，同时也给居民生活带来诸多不

便[9]。2000 年，大连、青岛、天津等大城市用水告急，不得不采用紧急调水来解

救。同时，工业化发展和城市人口迅速增长对城市水资源环境也产生了巨大的压

力，水量不足已成为制约城市经济发展的重要因素。

3）城市雨洪灾害

我国668个城市中。一方面，这些城市遭受到缺水严重的困扰，地下水资源被

超量开采，导致地下水位逐年下降；另一方面，暴雨峰流量在逐年增加，每年的

雨季，城区大量的雨水外排，使城市排水系统不堪重负，暴雨在许多城市造成严

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摘要：

I摘要本论文目的是研究以天然泥炭和天然沸石为原材料、水泥为粘结剂进行合成研制出新型环保合成材料，该合成材料既具备脱氮除磷功能，又具备一定的抗压强度，还可以在水体中保持一定的形态。论文主要研究内容包括合成材料的研制、合成材料对氮磷的静态吸附性能、合成材料对氮磷的动态吸附性能以及合成材料的生物再生，并通过吸附等温线模型、热力学、动力学研究解析了合成材料对氮磷的吸附机理，为合成材料生物滤池提供数据基础。首先，通过合成材料的成型实验、发泡剂添加量实验和抗压强度实验确定该合成材料的最优质量配比为水泥：天然沸石：天然泥炭=1:2:0.05。通过电镜扫描观察可知按最优质量配比制备成的合成材料，在保持一定天然...

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