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高效除磷基質(zhì)的選擇與吸附特性
由于基質(zhì)吸附、化學(xué)沉淀、細(xì)菌活動(dòng)、植物和藻類(lèi)提取和結(jié)合,目前,利用該過(guò)程中的磷提取的特殊基質(zhì)是浮石、石英、活性多孔介質(zhì)(leca)、硅灰石、板土、高爐渣和工業(yè)廢物。除了fe、al和ca含量外,精細(xì)物質(zhì)的eh、ph值和吸附表面都與磷的吸附能力有關(guān)。除了fe、al和ca含量外,精細(xì)物質(zhì)的eh、ph值和吸附表面都與磷的吸附率有關(guān)。這本研究中確定了九種基質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和磷吸附容量之間的關(guān)系,為高效除磷基質(zhì)的選擇和人工制備提供了理論依據(jù)。1材料和方法1.1耕層土土壤條件草炭取自廣東省高要市.高爐渣取自廣州市鋼鐵廠的水渣.煤灰渣取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)西區(qū)學(xué)生飯?zhí)?耕層土取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)嵩山區(qū)菜園地中粗砂和礫石為一般建筑材料.高爐渣土、煤灰渣土和中粗砂土分別為以高爐渣、煤灰渣和中粗砂為主料,以草炭和耕層土為輔料,并按一定比例配制而成.THZ-C型恒溫振蕩器.日立5000型原子吸收光度儀.1.2測(cè)試方法1.2.1測(cè)定素質(zhì)及比色測(cè)定采用9種基質(zhì),5個(gè)P濃度(100,200,300,400,500mg/L),共45個(gè)處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù).稱取中粗砂、煤灰渣、高爐渣、耕層土、草炭、礫石、中粗砂土、煤灰渣土和高爐渣土各3g,分別置于50mL離心管中,分別加入不同P濃度的KH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液30mL,加入2滴氯仿,在23℃條件下,密封振蕩48h.在4000r/min的轉(zhuǎn)速下離心,取其上清液分別稀釋100,200,300,400,500倍,比色測(cè)定.1.2.2測(cè)定素質(zhì)培養(yǎng)中粗砂、煤灰渣、高爐渣、煤灰砂、煤灰渣、中粗砂、煤灰砂、利用kh2po采用9種基質(zhì),8個(gè)不同吸附平衡時(shí)間(10min,0.5,1,2,4,8,24,48h)共72個(gè)處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù).稱取中粗砂、煤灰渣、高爐渣、耕層土、草炭、礫石、中粗砂土、煤灰渣土和高爐渣土各10g,分別置于50mL離心管中,加入5mg/LKH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液30mL,加入2滴氯仿,在23℃條件下,密封振蕩.在4000r/min轉(zhuǎn)速下離心,取其上清液分別稀釋5倍,比色測(cè)定.1.3有機(jī)質(zhì)、交換性鈣及金屬離子吸收劑水質(zhì)分析方法:PO4-3見(jiàn)文獻(xiàn);土壤容重采用環(huán)刀法;密度采用密度瓶法;CEC采用乙酸銨法;pH值采用電位法;有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法;交換性鈣采用乙酸銨交換-原子吸收分光光度法;交換性鎂采用乙酸銨交換-原子吸收分光光度法;交換性鋁采用氯化鉀交換-ICP-AES法;有效鐵,有效錳采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法;全量鈣、全量鎂、全量鐵、全量錳采用碳酸鈉熔融-原子吸收分光光度法;全量鋁采用碳酸鈉熔融-ICP-AES法.1.4d80與s10的粒徑及滲濾率總孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤密度)×100%(1)式中:D80為80%顆粒通過(guò)的粒徑,mm;D10為10%顆粒通過(guò)時(shí)的粒徑,mm.可以直接從累積頻率與粒徑的篩分曲線上分別查得D80和D10的數(shù)值.式中:K為滲透速率,cm/s,即導(dǎo)水率;Q為T(mén)時(shí)間內(nèi)總滲水量,cm3;S為滲濾床面積,cm2;I為水力梯度I=(H+h)/H,h為柱高H上的水層厚度,cm;T為配水時(shí)間,h.1.5統(tǒng)計(jì)分析平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差采用SPSSWIN11.5軟件計(jì)算;方差分析采用SAS6.12軟件計(jì)算;多重比較采用DUNCAN新復(fù)極差試驗(yàn)法(DMRT法,P=0.05).2結(jié)果與分析2.19不同基質(zhì)間的磷吸附量由表1可見(jiàn),9種基質(zhì)對(duì)磷的吸附量隨著溶液中磷濃度增加而增加.除中粗砂基質(zhì)外,相同基質(zhì)不同磷濃度溶液中磷吸附量的差異均呈顯著水平.如草炭和高爐渣基質(zhì)的5個(gè)處理中,磷的吸附量均有顯著差異;高爐渣土除處理2和處理3之間無(wú)顯著差異外,其余處理間均有顯著差異.說(shuō)明此3種基質(zhì)對(duì)磷的吸附能力極強(qiáng).其他基質(zhì)除高濃度處理(300~500mg/L)與低濃度處理(100~200mg/L)間磷的吸附量有顯著差異外,其余均無(wú)顯著差異.相同濃度處理的9種不同基質(zhì)對(duì)磷吸附量的差異均達(dá)到顯著水平,不同濃度處理的磷的吸附量均表現(xiàn)出草炭最高,礫石和中粗砂最低的變化規(guī)律.在5種濃度處理中,草炭與其他8種基質(zhì)間的磷吸附量均有顯著性差異;而中粗砂和礫石間的磷吸附量均無(wú)顯著差異;其余基質(zhì)間的差異隨著處理不同而變化.但是在前4種濃度處理中除煤灰渣和高爐渣土與中粗砂土之間的磷吸附量有顯著差異外,其余基質(zhì)間均無(wú)顯著差異.在處理5中,除草炭與渣土類(lèi)(高爐渣土、高爐渣、煤灰渣土、土壤、煤灰渣)和砂礫石類(lèi)(中粗砂、礫石、中粗砂土)以及渣土類(lèi)與砂礫石類(lèi)之間的磷吸附量有顯著差異外,同類(lèi)基質(zhì)間的磷吸附量均無(wú)明顯差異.在處理1中,9種基質(zhì)中草炭吸附量最高,達(dá)828.95mg/kg土;以礫石為最低,僅為59.92mg/kg土.在處理5中,9種基質(zhì)也以草炭的吸附量為最高,達(dá)到2439.56mg/kg土,礫石的吸附量最低,僅為188.67mg/kg土.除高爐渣基質(zhì)有所變動(dòng)外,其余基質(zhì)在處理1和處理5中磷吸附量的變化趨勢(shì)均未發(fā)生改變.2.2物理和化學(xué)性質(zhì)對(duì)磷吸附的影響2.2.1總磷吸附量對(duì)磷吸附量的影響8種基質(zhì)(礫石除外)的物理性質(zhì)見(jiàn)表2.將在磷濃度為5mg/L條件下分別經(jīng)過(guò)吸附平衡8,24和48h后測(cè)得的吸附量與上述7項(xiàng)物理指標(biāo)值進(jìn)行相關(guān)分析,其相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可見(jiàn),容重、密度、導(dǎo)水率和D10粒徑4個(gè)指標(biāo)與磷吸附量之間呈極顯著性負(fù)相關(guān);導(dǎo)水率和D10與磷吸附量之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著性水平.孔隙度、D80和K803個(gè)指標(biāo)與磷吸附量之間呈正相關(guān)關(guān)系,除孔隙度未達(dá)到顯著性水平外,D80和K80均達(dá)到了顯著性水平.磷吸附量與D10粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而D10粒徑與基質(zhì)的表面積成反比,與Zhu等研究結(jié)果一致.但是,磷的吸附量與D80粒徑呈正相關(guān)關(guān)系,這說(shuō)明D80占的比例越大,吸附能力越強(qiáng),而D80越大,意味著表面積越小,似乎與前面的結(jié)論有矛盾,但考慮到高爐渣和煤灰渣是多孔介質(zhì),草炭又是膨松介質(zhì),D80粒徑占的比例越大,介質(zhì)內(nèi)部孔隙可能越多,因而表面積也可能會(huì)增加.2.2.2土壤中ca含量的影響對(duì)8種基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定(表4).8種基質(zhì)在磷濃度為5mg/L條件下經(jīng)吸附平衡8,24,48h后,對(duì)磷的吸附量與這些化學(xué)性質(zhì)之間進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果見(jiàn)表5.由表5可見(jiàn),CEC、有機(jī)質(zhì)、有效鐵和交換性鋁均與磷的吸附量之間呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);pH值與磷吸附量之間存在極顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01);全量鈣和全量錳與磷的吸附量之間也存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系,但未達(dá)到顯著水平(P>0.05);交換性鈣、鎂和全量鎂、鋁、鐵也與磷吸附量存在著正相關(guān)關(guān)系,雖未達(dá)到顯著水平(P>0.05),但隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng),相關(guān)系數(shù)增大.8種供試基質(zhì)中交換性Ca的含量與短時(shí)間磷的快速吸附去除關(guān)系不大,接觸時(shí)間越長(zhǎng),其相關(guān)系數(shù)越大.全量Ca的含量與短期磷的吸附量之間的關(guān)系不顯著,原因是8種基質(zhì)的pH值差異很大.濕地磷的吸附容量取決于2個(gè)因素:一是吸附位點(diǎn)的數(shù)量,它與基質(zhì)顆粒的表面積成比例;二是pH值,8種基質(zhì)pH值最高的是高爐渣,達(dá)9.34;pH值最低的是草炭,僅為3.49,而草炭對(duì)磷的吸附量最大,其全量Ca含量又較低,因而掩蓋了只有在高pH值時(shí)才能體現(xiàn)出來(lái)的全量Ca在除磷中的作用.通常,在包含相當(dāng)大數(shù)量鈣的堿性濕地和包含較大濃度鋁和鐵的酸性濕地中磷的吸附量最高,磷能與這些元素反應(yīng)生成沉淀而被固定.例如,Ca在高pH值時(shí)與可溶性磷反應(yīng)水合形成羥基磷石灰,它能從溶液中沉淀出來(lái).當(dāng)生活污水呈稍微堿性時(shí),砂粒中Ca的含量對(duì)磷的去除能力十分重要;而當(dāng)被處理污水呈酸性時(shí),砂粒中鐵和鋁的含量則相當(dāng)重要,因?yàn)樗鼈兡芘c廢水中的磷形成沉淀而被去除.因此,各基質(zhì)對(duì)磷吸附能力在一定程度上取決于其交換性Ca、Al和有效Fe等化學(xué)元素的含量,特別是活性Fe和交換性Al含量對(duì)短時(shí)間快速吸附除磷具有重要意義.同時(shí),基質(zhì)的CEC含量對(duì)磷的吸附量也具有極顯著的影響,但隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng),其交換性能下降,因而相關(guān)系數(shù)逐漸降低.3基質(zhì)中磷吸附量的影響因素3.1當(dāng)溶液磷濃度為500mg/L時(shí),9種基質(zhì)中草炭的吸附量最高,達(dá)到2440mg/kg土,礫石的吸附量最低,僅為189mg/kg土.3.2容重、密度、導(dǎo)水率和D10粒徑4個(gè)指標(biāo)與磷的吸附量之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.其中,容重和密度與磷吸附量之間呈極顯著性負(fù)相關(guān);導(dǎo)水率和D10粒徑與磷吸附量之間也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系孔隙度,D80和K803個(gè)指標(biāo)與磷吸附量之間呈正相關(guān)關(guān)系,除孔隙度未達(dá)到顯著性水平外,D80和K80均達(dá)到顯著水平.3.3CEC、有機(jī)質(zhì)、有效鐵和交換性鋁均與磷的吸附量之間呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系;交換性鈣、鎂和全量鎂、鋁、鐵與磷吸附量之間存在著正相關(guān)關(guān)系;pH值與磷吸附量之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系;全量鈣和全量錳與磷的吸附量之間也存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系.3.4基質(zhì)的選擇和配制首先應(yīng)選擇孔隙度,D80和K80比較大的基質(zhì).孔隙
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