基于生物碳-水合氧化铁复合吸附体系的污水磷回收研究

Discharge of phosphorus-containing wastewater not only causes the eutrophication of the water bodies, but also leads to a serious waste of phosphorus resourse. Troditional wastewater treatment processes are mainly focused on the removal of phosphorus, but ignore the recovery of phosphorus. To solve this problem, biochar will be prepared based on the agricultural waste in this proposal. Nanosized FeOOH will be further loaded on the matrix of granular biochar to develop new hybrid adsorbent of phosphate. Phosphate can be adsorbed by this hybrid adsorbent due to the micropore structure of biochar, the large surface area of FeOOH and the selectivity of FeOOH on phosphate. The performance and adsorption mechanism of the adsorbent will be investigated. In order to further improve the bioavalibility of the adsorbed phosphorus, the dissimilatory iron reduction microorganism, Shewanella oneidensis MR-1, will be utilized to reduce Fe(III) to form vivianite. This process will be analyzed to illustrate the mechanism. These results will provide promising materials and new methods for the control of eutrophication and the recovery of phosphorus.

含磷污水排放到自然水体不仅造成水体富营养化，也是磷资源的严重浪费。传统的除磷工艺往往只考虑了磷的去除，而没有考虑对磷资源进行回收利用。本项目以农业废弃物作为原料制备生物碳，以扩孔造粒后的生物碳作为基体负载纳米水合氧化铁制备新型复合材料，利用生物碳的微孔结构、纳米水合氧化铁的超大比表面积和对磷酸盐的选择吸附活性的协调效应，开发水合氧化铁包覆粒状生物碳复合吸附剂，用于水中磷酸盐去除及磷资源回收。考察生物碳-水合氧化铁复合材料吸附磷酸盐的性能，从宏观和微观角度揭示其吸附磷酸盐的过程与机理。为进一步提高吸附磷的生物可利用性，在铁磷吸附体系中通过Shewanella oneidensis MR-1的异化还原作用，在生物碳表面诱导生成蓝铁石，对铁磷吸附体系中铁的异化还原过程进行解析，阐明蓝铁石的形成过程与机制。研究成果将为水体富营养化的控制以及磷的回收提供新材料和新方法。

含磷污水排放到自然水体不仅造成水体富营养化，也是磷资源的严重浪费。传统的除磷工艺往往只考虑了磷的去除，而没有考虑对磷资源进行回收利用。本项目以棉花秸秆作为原料，使用酸、碱和表面活性剂三种方法对原始碳粉进行预处理，结果表明酸、碱和表面活性剂预处理均可以有效去除杂质，并增加生物碳比表面积，其中酸处理对于减少碳粉和碳粒的磷酸盐释放最为有效，但不利于铁氧化物的负载。以扩孔造粒后的生物碳作为基体，通过原位沉积法负载纳米水合氧化铁，开发铁碳复合粒状吸附材料(Bg-FO-1)中磷酸盐去除及磷资源回收。该材料充分利用了生物碳的微孔结构、纳米水合氧化铁的超大比表面积和对磷酸盐的选择吸附活性。提高了生物碳粉的物理强度，解决了生物碳用于污水处理固定床实验的高透过压力、高流失率以及出水水质差等问题。经过颗粒化和铁氧化物负载后，生物碳的比表面积从原始碳粉的49.7 m2/g提高到219 m2/g。原始碳粉不仅对磷酸盐没有吸附能力，而且会向溶液中释放0.471 mg/g的磷酸盐。经过材料优化后，Bg-FO-1对磷酸盐的吸附容量达到0.963 mg/g。对铁碳复合吸附剂的吸附动力学过程进行考察，其吸附速率和吸附容量都远远高于粉末生物碳与未负载铁氧化物的颗粒生物碳，动力学分析结果表明磷酸盐在铁碳复合吸附剂表面主要发生了单层吸附。铁碳复合颗粒吸附剂吸附磷酸盐的主要原理是磷酸盐与与铁氧化物表面羟基共价络合，颗粒化的过程提供了更多的孔道，使得铁氧化物的负载量增加。研究成果将为污水中磷的回收提供新材料和新方法。