改性污泥基生物炭吸附二级出水中磷和氨氮效能的研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

经济社会的发展和国家对环境问题的日益重视使得污水处理厂“重水轻泥”的

问题愈发凸显，如何实现市政污泥的稳定化、无害化、资源化处置已成为有关领域

研究人员的重点课题之一。热解是一种新兴的污泥资源化利用方式，将污泥热解产

生的生物碳原位应用于水厂二级出水的深度处理，能够在提升出水水质的同时降

低运行成本，提高污泥的经济价值。

本研究在大量文献调研的基础上，对以污泥为原料，通过热解的方法制备得到

的生物炭进行酸改性，碱改性，金属盐改性和金属层状双氢氧化物（LDHs）改性，

对比不同的改性方法对于污泥基生物炭吸附水中的磷和氨氮能力的影响。静态吸

附实验表明，LDHs改性得到的生物炭在对水中磷和氨氮的吸附实验中给都表现出

了很好的吸附性能。随后对组成LDHs的金属比例进行了优化对比，通过改变实验

的初始条件，即生物炭投加量、溶液初始浓度、共存离子和溶液初始pH以验证不

同影响因素对三种不同金属比例的LDHs改性生物炭吸附能力和污染物去除率的

影响，并改变吸附时间和温度进行了吸附动力学和吸附热力学实验，准一级动力学、

准二级动力学被用来对实验数据进行拟合，并采用经典的Langmuir模型、

Freundlich模型对不同温度下的热力学吸附等温线进行拟合。通过模型拟合得到了

不同金属比例下三种LDHs改性生物炭对磷和氨氮的理论最大吸附量，改性后分

别达到37.754、42.811、46.277mg/g和14.652、15.251、19.071mg/g，提升幅度显

著。

利用SEM、XRE、FTIR和元素分析对LDHs改性生物炭的孔径、比表面积、

表面官能团和微观形貌进行了分析，认为LDHs成功的负载到污泥基生物炭表面，

使羟基含量大大增加，C/H显著较小，表面形貌和孔隙结构优化程度明显。总重金

属含量和溶出液重金属浓度分析表明，LDHs改性使得重金属总含量和进出浓度都

有显著降低，安全性大大提高。

为进一步探究LDHs改性污泥基生物炭在污水处理厂二级出水深度处理的实

际应用潜力，采用污水厂实际二级出水对生物炭的吸附能力进行了验证。首先利用

正交试验法初步确定了最佳实验条件和实际因素对二级出水中总磷总氮去除率的

影响，随后以正交试验确定的初始条件为基础进行单因素实验探讨各因素改变对

去除率和出水浓度的影响程度。结果表明LDHs改性污泥基生物炭在2h、2g/L、

25℃的条件下，对二级出水的氮磷去除中有着很好的去除能力，同时具有相当的稳

定性和较高的经济效益。

关键词：污泥资源化；生物炭；LDHs；脱氮除磷；应用安全性；

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Abstract

Withthedevelopmentofeconomyandsocietyandtheincreasingattentionofthe

statetoenvironmentalproblems,theproblemofPayattentiontosewagebutdespise

sludgeinsewagetreatmentplantsbecomesmoreandmoreserious.Howtorealizethe

stabilization,harmlessandresourcedisposalofmunicipalsludgehasbecomeoneofthe

keytopicsofresearchersinrelatedfields.Pyrolysisisanewwayofsludgeresource

utilization.Thebiologicalcarbonproducedbysludgepyrolysisisappliedin