【摘要】：面對我國城市化進程中污水氮磷處理與土壤貧瘠化的問題,從源頭上實現(xiàn)尿液廢水(即黃水)分離式收集,利用生物炭對營養(yǎng)元素的吸附性能進行黃水資源化處理,得到可應(yīng)用于貧瘠土壤改良的緩釋肥料,在減輕污水中氮磷處理壓力的同時,改善土壤肥力,可獲得保護環(huán)境與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的雙贏,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。本論文基于對生物炭制備條件和基本特性的分析,以生物炭回收利用黃水中氮磷資源為研究目標(biāo),研發(fā)了生物炭和鎂鹽投加聯(lián)合吸附工藝,構(gòu)建了以飽和生物炭為緩釋肥料的農(nóng)業(yè)資源循環(huán)系統(tǒng)。研究了不同原料在不同預(yù)處理和熱解條件下制備的生物炭的基本性質(zhì)及其對營養(yǎng)元素的吸附性能。發(fā)現(xiàn)秸稈生物炭表面具有更多親水性和極性官能團,對氨氮的吸附效果較好,吸附量達到約8.8~10.1mg/g;而木質(zhì)生物炭的吸附量只有4.5~5.2mg/g,與活性炭的吸附效果(約為5mg/g)相當(dāng)。氨氮吸附效果同時受熱解溫度和時長的影響。鎂負載可強化生物炭對磷的回收。開展了搖床試驗和柱狀連續(xù)運行實驗,優(yōu)化了生物炭對氮磷吸附捕獲過程的參數(shù),探討了吸附作用機理。生物炭和鎂鹽的聯(lián)合投加可實現(xiàn)氮磷的同步回收,投加量、初始濃度以及吸附時長等條件參數(shù)均會影響生物炭的吸附效率。吸附過程可通過二級吸附動力學(xué)以及Freundlich吸附等溫線模型擬合。同時,揭示了吸附機理,主要包括正負電荷結(jié)合、離子交換和結(jié)晶沉淀等作用機理。柱狀反應(yīng)器的運行工況對生物炭的飽和吸附容量存在顯著影響,以混合方式填充了MgO的上升流反應(yīng)器在低流速下運行效果最佳。連續(xù)運行的生物炭吸附柱能保證出水中氨氮濃度長期維持在較低水平,生物炭對氨氮的飽和吸附量最終可達到20mg/g以上,優(yōu)于全混流反應(yīng)器的運行結(jié)果。研究了飽和生物炭作為緩釋肥料對于農(nóng)業(yè)土壤性質(zhì)和作物生長的影響,分析了以生物炭為核心的農(nóng)業(yè)資源循環(huán)系統(tǒng)的環(huán)境及經(jīng)濟效益。緩釋肥的投加對于兩種所選作物的發(fā)芽率、生長速率以及最終產(chǎn)量都有所增強,對不同作物的影響效果不同。緩釋肥的投加同時改善了土壤性質(zhì),使土壤pH升高,增強其對營養(yǎng)元素的固定能力。綜上所述,以生物炭為核心的農(nóng)業(yè)資源循環(huán)系統(tǒng)對于我國固體廢棄物和污水處理、資源回收和利用均有重要意義,具有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X703

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本文編號：2754271