人工湿地红壤基质填料的除磷性能与机理研究

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人工湿地中基质填料的吸附沉淀作用是人工湿地吸附除磷的主导因素,然而,湿地中普通的土壤或者砾石基质对水体中磷的去除效果不够理想,所以,本研究尝试开发洱海流域内广泛分布的红壤作为人工湿地吸附除磷基质,希望能够为洱海流域磷污染的控制提供有效帮助,也希望能够为富营养化湖泊的磷污染控制与治理工作提供借鉴意义和参考价值。本研究首先通过吸附除磷有效性试验和等温吸附试验,研究了红壤的等温吸附特征,考察了红壤作为人工湿地吸附除磷基质应用推广的可行性,并探究了初始磷溶液浓度、红壤粒径、红壤添加量和溶液pH值等因素对红壤吸附除磷效果的影响。结果表明:红壤具有良好的吸附除磷效果,根据Langmuir方程得出红壤对磷的理论饱和吸附量为4692.04mg/kg;添加量和溶液pH值对红壤吸附除磷性能的影响显著,随着添加量的增加,红壤对水体中磷的平衡吸附量显著减少,除磷效率明显提升;随着pH值的增加,红壤对磷的平衡吸附量和吸附效率均逐渐降低。通过吸附除磷动力学试验,考察了红壤吸附除磷的动力学特征,并利用相关热力学函数参数描述了红壤吸附除磷的热力学特征。试验结果显示:准二级动力学方程要比一级动力学方程、双常数方程和Elovich方程更能准确的描述红壤对磷的吸附动力学过程,利用准二级动力学方程计算得到的红壤平衡磷吸附量Xe与实验得到的实际平衡吸附量Xe,exp的相对误差均小于±4%;红壤吸附除磷体系的Δ G和Δ H均小于0,即红壤对磷的吸附作用是一个自发、放热的过程。通过动态吸附试验,考察了红壤颗粒动态吸附除磷的主要影响因素,利用动态吸附曲线描述了红壤颗粒的吸附除磷过程,并量化分析了红壤颗粒的吸附除磷效果。结果分析发现:初始溶液浓度增大、进水流速提升、填料高度降低以及pH值的增加均会导致红壤颗粒吸附除磷动态曲线的穿透时间的缩短;将红壤颗粒实际应用于人工湿地基质填料吸附除磷时,湿地进水磷浓度不宜过低;进水流速的减缓可以帮助延长停留时间,提高去除效果;填料床厚度的增加能够提供更多的活性物质和吸附点位;调节进水pH为酸性条件,可以有效增强红壤颗粒的吸附除磷能力。最后,通过分析红壤饱和吸附前后不同形态磷含量的变化,探究了红壤的吸附除磷机理,即红壤对磷的吸附作用以化学吸附为主,其反应实质是溶液中的磷酸根与红壤中含有的Al、Fe活性物质发生化学反应而被吸附。
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