针对猪场沼液氮磷含量高、有机污染严重、难以处理的问题,采用经氯化钠溶液改性沸石为载体对沼液中氮磷吸附特性和去除机理进行分析研究,考察了沸石投加量、吸附时间、沼液初始浓度等影响因素。结果表明:当沸石投加量为每100mL10g、吸附时间48h时,最大氨氮去除率可达90.66%,氨氮饱和吸附量可达1.43mg·g-1,最大总磷去除率可达85.97%,磷饱和吸附量可达0.16mg·g-1。吸附后的沸石污泥含有大量氮磷元素,是一种优质缓释肥料。Freundlich、Langmuir方程均能较好地解析改性沸石的等温吸附过程,其吸附动力学符合准二级动力学模型,R2均达0.98以上。沸石对猪场沼液中有机态氮磷去除主要基于物理性吸附和沸石中的活性基团与有机官能团所产生的配位络合,无机态氮磷则主要以离子交换及吸附沉淀方式得以去除。

一、背景阐述

猪场废水经厌氧发酵后产生的沼液成分复杂,富含大量的氮、磷等营养元素,若直接排放,势必对周边水体造成污染,须妥善处理后才能排放。采用传统的生物处理方法难已达到预期效果,其主要原因是沼液中氨氮、总磷等污染物浓度较高,加之沼液本身C/N比例失调,致使微生物生长受到抑制,生物脱氮过程又需要消耗大量的碱和较高的曝气充氧能耗,
造成沼液生物处理成本过高,使得国内生猪养殖厂不堪重负,沼液偷排现象时而发生。

沸石是一种具有四面体结构、由(SiO2)m衍生出来的Si4+被Al3+置换所形成的含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物质,具有良好的耐酸耐碱性、热稳定性、离子交换性和空旷的骨架结构,拥有巨大的空腔表面和空隙率。这种特殊的晶体结构使其具备较高的吸附性和较强的离子交换特性。沸石孔道和孔穴中存在的多种碱金属和碱土金属离子,在湿润状态下能跟NH4+、K+、Fe2+、Zn2+、Na+、Mg2+、Cu2+、Ca2+等阳离子进行离子交换,尤其是改性后的沸石,其吸附及离子交换性能进一步增强。

二、试验与讨论

沼液氮磷初始浓度分别为93.15~98.4、7.84~8.02mg·L-1,pH为6.5~8,吸附时间为72h时,沸石单位投加量对沼液氮磷吸附的影响如图1、图2所示。

改性沸石对猪场沼液氮磷吸附特性与机理-国投盛世

改性沸石对猪场沼液氮磷吸附特性与机理-国投盛世

由图2可以看出,当沸石量从每100mL1g增至10g时,沸石对磷的去除率急剧增加,去除率从21.81%增至80.1%,沸石量为每100mL10g时,磷去除率接近最大值;当沸石量从10g增至30g时,磷的去除率略有增加;随着沸石投加量的不断增大单位质量沸石对磷的吸附量由0.17mg·g-1降至0.02mg·g-1,吸附量逐渐下降。这是由于随着沸石用量的不断增大,可提供的吸附点得到相应的增加,沼液中的磷酸根离子同时受到多个吸附点的作用力,单个吸附点吸附能力受到限制,导致单位质量沸石吸附率的降低。

当改性沸石投加量为每100mL10g、吸附时间48h时,最大氨氮去除率可达90.66%,氨氮饱和吸附量可达1.43mg·g-1,最大总磷去除率可达85.97%,磷饱和吸附量可达0.16mg·g-1。改性沸石对猪场沼液中氮磷的等温吸附过程可用Freundlich、Langmuir吸附模型解析;沸石对猪场沼液中有机态氮磷去除主要基于物理性吸附和沸石中的活性基团与有机官能团所产生的配位络合,无机态氮磷则主要以离子交换及吸附沉淀形式得以去除;吸附后的沸石污泥含有大量氮磷元素,是一种优质缓释肥料。本研究对于猪场沼液预处理及资源化应用有一定的理论和实用价值。