作為除磷基質(zhì)材料的鎂橄欖石的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及除磷基質(zhì)材料，特別涉及一種高效、環(huán)保、穩(wěn)定的作為除磷基質(zhì)材料的鎂橄欖石（forsterite）的應(yīng)用。本發(fā)明是利用鎂橄欖石的具有性能穩(wěn)定、高效除磷、成本低廉等的特點(diǎn)，既可直接將鎂橄欖石用于人工濕地中或應(yīng)用于濾池中作為除磷基質(zhì)材料，對污水廠二級生化出水或微污染河水的除磷；也可將鎂橄欖石作為復(fù)合填料的原料之一用于人工濕地中作為除磷基質(zhì)材料，對污水廠二級生化出水或微污染河水的除磷。應(yīng)用鎂橄欖石作為人工濕地和濾池的除磷基質(zhì)材料，出水總磷（磷酸鹽）濃度優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可大大降低受納水體富營養(yǎng)化的危險，改善水體環(huán)境。
【專利說明】作為除磷基質(zhì)材料的鎂橄欖石的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001]本發(fā)明涉及除磷基質(zhì)材料，特別涉及一種高效、環(huán)保、穩(wěn)定的作為除磷基質(zhì)材料的鎂橄欖石(forsterite)的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]改革開放以來，盡管我國污水處理取得了長足進(jìn)步，但我國的水環(huán)境質(zhì)量不容樂觀，水污染防治形勢嚴(yán)峻。根據(jù)《2011年中國環(huán)境狀況公報》，全國地表水污染依然較重，七大水系總體為輕度污染，湖泊(水庫)富營養(yǎng)化問題突出。因此，水體富營養(yǎng)化的防治已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。水體富營養(yǎng)化主要是由水體中的N、P濃度增加所致。大量研究表明，控制水體中P的濃度是控制水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。作為典型的生態(tài)處理技術(shù)，人工濕地廣泛應(yīng)用于污染水體的水質(zhì)凈化與恢復(fù)、面源污染控制等領(lǐng)域，具有投資及維護(hù)費(fèi)用低、出水水質(zhì)好、二次污染小等優(yōu)點(diǎn)，是消減水體氮磷污染物的有效工藝之一，它不僅可滿足脫氮除磷的水質(zhì)要求，而且可大幅削減進(jìn)入受納水體的污染負(fù)荷，在一定程度上保障受納水體的水質(zhì)需求，具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]人工濕地(constructed wetland,CW)是人為建造的利用植物、基質(zhì)與微生物三者的物質(zhì)循環(huán)與能量流動來處理污水的一種生態(tài)系統(tǒng)。磷是人工濕地中主要的限制性養(yǎng)分之一，人工濕地對磷的去除主要依靠基質(zhì)的物理化學(xué)作用、植物的吸收作用和微生物正常的同化及聚磷菌的過量攝磷作用這三方面作用來完成。其中，基質(zhì)一直被公認(rèn)為是進(jìn)入濕地系統(tǒng)的磷的最終歸宿，其沉淀和吸附作用是磷素最主要的去除途徑，貢獻(xiàn)率高達(dá)70-87%。人工濕地的除磷效果與基質(zhì)類型密切相關(guān)，基質(zhì)的理化性質(zhì)以及特定的吸附能力影響磷的去除。富含Al3+、Fe3+、Ca2+的基質(zhì)可通過吸附和沉淀反應(yīng)達(dá)到較好的除磷效果，而鎂系吸附劑對水中的磷酸鹽也有著較好的去除能力。因此，選擇合適的人工濕地基質(zhì)材料，是構(gòu)建人工濕地，提高人工濕地凈化能力的關(guān)鍵舉措。
[0004]目前，人們已經(jīng)探討了多種天然材料或經(jīng)物理、化學(xué)改性的天然材料以及人工合成的材料來強(qiáng)化人工濕地吸附除磷效果。但均存在相應(yīng)的問題，包括性質(zhì)不穩(wěn)定、效率低、投放量大、易造成水體二次污染等。
[0005]鎂橄欖石(forsterite)作為高效耐火材料,成本低廉、性質(zhì)穩(wěn)定,作為富鎂材料具有良好的除磷潛力。目前，利用鎂橄欖石作為一種高效除磷材料并在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用，在國內(nèi)外尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于應(yīng)用鎂橄欖石(forsterite)作為一種除磷基質(zhì)材料。
[0007]本發(fā)明的作為除磷基質(zhì)材料的鎂橄欖石的應(yīng)用，是利用鎂橄欖石的具有性能穩(wěn)定、高效除磷、成本低廉等的特點(diǎn)，既可直接將鎂橄欖石用于人工濕地中或應(yīng)用于濾池中作為除磷基質(zhì)材料，對污水廠二級生化出水或微污染河水的除磷；也可將鎂橄欖石作為復(fù)合填料的原料之一用于人工濕地中作為除磷基質(zhì)材料，對污水廠二級生化出水或微污染河水的除磷。應(yīng)用鎂橄欖石作為人工濕地和濾池的除磷基質(zhì)材料，出水總磷(磷酸鹽)濃度優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)的IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可大大降低受納水體富營養(yǎng)化的危險，改善水體環(huán)境。
[0008]所述的直接將鎂橄欖石用于人工濕地中作為除磷基質(zhì)材料，其中人工濕地中鎂橄欖石的填充比例為28.15~47.20kg.π-2 (單位面積填充質(zhì)量)。填充了鎂橄欖石的人工濕地可高效除磷，且強(qiáng)度高、性質(zhì)穩(wěn)定、對水體無二次污染風(fēng)險，鎂橄欖石作為人工濕地除磷基質(zhì)材料可得到廣泛應(yīng)用。
[0009]所述的直接將鎂橄欖石應(yīng)用于濾池中作為除磷基質(zhì)材料，其中填充了鎂橄欖石的濾池中的孔隙率為48~53%。
[0010]所述的將鎂橄欖石作為復(fù)合填料的原料之一用于人工濕地中作為除磷基質(zhì)材料，是將復(fù)合填料中的各填料依照三段式除磷系統(tǒng)中水流方向自進(jìn)水端至出水端依次進(jìn)行填充，按固定填充比例分別平鋪填充于三段式除磷系統(tǒng)中，所述的三段式除磷系統(tǒng)中的第一段除磷系統(tǒng)自進(jìn)水端開始由上至下分別填充沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒，填充的沸石:無煙煤:鋼渣:生物陶粒的體積比為1:廣2:1:1 ;自所述的三段式除磷系統(tǒng)的第二段除磷系統(tǒng)的進(jìn)水端開始，由下至上分別填充生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤，填充的生物陶粒:鎂橄欖石:無煙煤的體積比為廣2:1:1 ;自所述的三段式除磷系統(tǒng)的第三段除磷系統(tǒng)的進(jìn)水端開始，由上至下分別填充沸石和生物陶粒，填充的沸石:生物陶粒的體積比為3~4:1。
[0011]所述的鎂橄欖石為市場上常見，易于獲得，屬橄欖石族礦物中的一種，斜方晶系，粒徑為2~3mm，屬正硅酸鹽(Mg.Fe)2Si04分子結(jié)構(gòu)材料，富含MgO，Mg元素的質(zhì)量百分比含量為26.02~27.31%，并經(jīng)1300°C煅燒而成。
[0012]本發(fā)明首次開發(fā)利用鎂橄欖石作為一種新型高效除磷基質(zhì)材料，既可用于人工濕地，又可用于濾池，其特點(diǎn)在于高效、穩(wěn)定、環(huán)保、低成本，其磷吸附量高達(dá)200mg/kg,過濾柱的動態(tài)吸附除磷效果保持在80%左右，小試人工濕地的Ρ0/_-Ρ平均去除率為88.87 ±9.49%，除磷效果顯著。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1.本發(fā)明實(shí)施例1的鎂橄欖石吸附磷酸鹽前后的SEM照片；其中:A為鎂橄欖石-吸附磷酸鹽前的SEM照片；B為鎂橄欖石-吸附磷酸鹽后的SEM照片。
[0014]圖2.本發(fā)明實(shí)施例1的鎂橄欖石吸附磷酸鹽前后的X射線能譜分析圖；其中:A為鎂橄欖石吸附磷酸鹽前的X射線能譜分析圖鎂橄欖石吸附磷酸鹽后的X射線能譜分析圖。
[0015]圖3.本發(fā)明實(shí)施例1的鎂橄欖石的等溫吸附曲線。
[0016]圖4.本發(fā)明實(shí)施例2的裝填鎂橄欖石的過濾柱的動態(tài)除磷效果。
[0017]圖5.本發(fā)明實(shí)施例3的小試人工濕地填料的裝填示意圖(剖面圖)。
[0018]圖6.本發(fā)明實(shí)施例3的小試人工濕地試驗(yàn)Ρ043_-Ρ的去除效果。
[0019]附圖標(biāo)記
[0020]A.沸石B.無煙煤C.鋼渣D.生物陶粒E.鎂橄欖石【具體實(shí)施方式】[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0022]實(shí)施例1
[0023]利用鎂橄欖石作為一種新型高效除磷基質(zhì)材料，采用靜態(tài)批量試驗(yàn)研究鎂橄欖石的磷吸附性能。采用0.02mol ^r1KCl溶液配制不同磷濃度的KH2PO4S準(zhǔn)溶液(以P計，下同)200mL,含憐濃度(PO43 -P)分別為 1.0mg.L \2.0mg.L \5.0mg.L \IOmg.L \20mg.L \50mg.L' 1OOmg.L'200mg.L'400mg.L4,分別置于25OmL錐形瓶中，按照質(zhì)量/容積比1:20分別加入IOg鎂橄欖石(粒徑為2~3mm，Mg元素的質(zhì)量百分比含量為26.02^27.31%)，在恒溫?fù)u床中(150r *min-\25°C ±1°C條件下)連續(xù)振蕩48小時，振蕩結(jié)束后采樣，吸附后的水樣用0.45 μ m濾膜過濾后進(jìn)行分析，計算鎂橄欖石對磷酸鹽的吸附量。為了進(jìn)一步探討鎂橄欖石對磷元素吸附去除效果的影響，對其吸附前后的表面微觀結(jié)構(gòu)和元素含量進(jìn)行了檢測分析。由圖1可知，吸附前鎂橄欖石表面呈現(xiàn)晶狀體結(jié)構(gòu)，較為平整，吸附后其表面生成顆粒狀結(jié)構(gòu)，形成磷結(jié)晶體。對比吸附前后的元素分析圖(見圖2)可知，吸附前鎂橄欖石以O(shè)、Mg、Si等元素為主，吸附后以O(shè)、Si元素為主，Mg元素含量大幅下降，P元素含量小幅增加；Mg元素的大幅下 降則在一定程度上說明其作為除磷的主要元素而存在。該材料的等溫吸附曲線見圖3。利用Langmuir方程對圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，根據(jù)該方程式可知，鎂橄欖石對磷的平衡吸附量為169.49mg.kg'
[0024]實(shí)施例2
[0025]利用鎂橄欖石作為一種高效除磷基質(zhì)材料，用于過濾柱除磷。采用有機(jī)玻璃柱(Φ 75 X 600mm)填充鎂橄欖石(裝填有效高度580mm填充了鎂橄欖石的有機(jī)玻璃柱中的孔隙率為52%)，連續(xù)向填充了鎂橄欖石的有機(jī)玻璃柱中注入污水處理廠二級生化出水(Ρ0/—-Ρ濃度:1.03±0.58mg/L),運(yùn)行第一天，出水Ρ0/—-Ρ濃度僅為0.085mg/L ;連續(xù)運(yùn)行136個床體積后，磷酸鹽平均去除率為79.63%，平均出水Ρ043_-Ρ濃度為0.23mg/L,出水平均pH值為7.21，表明鎂橄欖石能夠高效、環(huán)保、穩(wěn)定去除二級生化出水中的磷酸鹽。過濾柱的動態(tài)除磷效果見圖4。
[0026]實(shí)施例3
[0027]利用鎂橄欖石作為一種高效除磷基質(zhì)材料，用于人工濕地除磷，填充比例關(guān)系為36.79kg.m-2 (單位面積填充質(zhì)量)。以三段式除磷系統(tǒng)模擬人工濕地進(jìn)行脫氮除磷，并在三段式除磷系統(tǒng)中填充復(fù)合填料，各填料依照三段式除磷系統(tǒng)中水流方向自進(jìn)水端至出水端依次進(jìn)行填充(如圖5所示)，按固定填充比例分別平鋪填充于三段式除磷系統(tǒng)中，試驗(yàn)所用的三段式除磷系統(tǒng)是一由PVC板制成的容器，尺寸為0.6mX 0.5mX 0.3m(長X寬X高)，該容器中用PVC板分隔為3格段，每格段的長為0.2m。由于模擬的人工濕地的長度較短，因此未設(shè)置三段式除磷系統(tǒng)的底部坡度，所述的三段式除磷系統(tǒng)放置在不銹鋼架子上以保證水平。在模擬的人工濕地中種植花葉蘆華(Arundo donax var.versicolor),每格段種植2株。所述的三段式除磷系統(tǒng)中的第一格段除磷系統(tǒng)自進(jìn)水端開始由上至下分別填充沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒，填充的沸石:無煙煤:鋼渣:生物陶粒的體積比為1:1:1:1 ;自所述的三段式除磷系統(tǒng)的第二格段除磷系統(tǒng)的進(jìn)水端開始，由下至上分別填充生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤，填充的生物陶粒:鎂橄欖石:無煙煤的體積比為2:1:1 ;自所述的三段式除磷系統(tǒng)的第三格段除磷系統(tǒng)的進(jìn)水端開始，由上至下分別填充沸石和生物陶粒，填充的沸石:生物陶粒的體積比為3:1。填料填充總高度36cm。水流自第一格段進(jìn)水端開始首先為下行流，水流自第一格段出水端進(jìn)入到第二格段后改為上行流，水流自第二格段出水端進(jìn)入到第三格段后改為下行流，試驗(yàn)所用的三段式除磷系統(tǒng)設(shè)置有溢流口以保證水位穩(wěn)定。小試人工濕地系統(tǒng)處理水量為36L.cf1，水力負(fù)荷為0.2m.cf1，理論水力停留時間為I天。試驗(yàn)運(yùn)行期間，該 系統(tǒng)Ρ043_-Ρ平均去除率為88.87 ±9.49%，除磷效果顯著。
【權(quán)利要求】
1.一種作為除磷基質(zhì)材料的鎂橄欖石的應(yīng)用，其特征是:直接將鎂橄欖石用于人工濕地中或應(yīng)用于濾池中作為除磷基質(zhì)材料，對污水廠二級生化出水或微污染河水的除磷；或?qū)㈡V橄欖石作為復(fù)合填料的原料之一用于人工濕地中作為除磷基質(zhì)材料，對污水廠二級生化出水或微污染河水的除磷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征是:所述的直接將鎂橄欖石用于人工濕地中作為除磷基質(zhì)材料，其中人工濕地中鎂橄欖石的填充比例為28.15^47.20kg.m_2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征是:所述的直接將鎂橄欖石應(yīng)用于濾池中作為除磷基質(zhì)材料，其中填充了鎂橄欖石的濾池中的孔隙率為48飛3%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征是:所述的將鎂橄欖石作為復(fù)合填料的原料之一用于人工濕地中作為除磷基質(zhì)材料，是將復(fù)合填料中的各填料依照三段式除磷系統(tǒng)中水流方向自進(jìn)水端至出水端依次進(jìn)行填充，按固定填充比例分別平鋪填充于三段式除磷系統(tǒng)中，所述的三段式除磷系統(tǒng)中的第一段除磷系統(tǒng)自進(jìn)水端開始由上至下分別填充沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒，填充的沸石:無煙煤:鋼渣:生物陶粒的體積比為1:廣2:1:1 ;自所述的三段式除磷系統(tǒng)的第二段除磷系統(tǒng)的進(jìn)水端開始，由下至上分別填充生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤，填充的生物陶粒:鎂橄欖石:無煙煤的體積比為1~2:1:1 ;自所述的三段式除磷系統(tǒng)的第三段除磷系統(tǒng)的進(jìn)水端開始，由上至下分別填充沸石和生物陶粒，填充的沸石:生物陶粒的體積比為3~4:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的應(yīng)用，其特征是:所述的鎂橄欖石的粒徑為2~3mm，富含MgO，Mg元素的質(zhì)量百分比含量為26.02^27.31%。
【文檔編號】C02F3/32GK103723831SQ201210384855
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月11日
【發(fā)明者】魏源送, 管策, 郁達(dá)偉, 陳迪, 王亞煒 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心