红色粘土对模拟及畜禽养殖废水中磷的去除

第32卷第6期2012年6月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.6Jun.,2012基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项;国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2008ZX07101-007,2008ZX07103-005-4,2009ZX07528-005)SupportedbytheCentralResearchInstitutesofBasicResearchandPublicServiceSpecialOperationsandtheNationalWaterPollutionControlandManagementTechnologyMajorProjectsofChina(No.2008ZX07101-007,2008ZX07103-005-4,2009ZX07528-005)作者简介:杭小帅(1980—),男,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者)Biography:HANGXiaoshuai(1980—),male,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor杭小帅,王伟,张镭,等.2012.红色粘土对模拟及畜禽养殖废水中磷的去除[J].环境科学学报,32(6):1399-1405HangXS,WangW,ZhangL,etal.2012.Phosphorusremovalfromsyntheticandactuallivestock/poultryfarmwastewaterbyredclay[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(6):1399-1405红色粘土对模拟及畜禽养殖废水中磷的去除杭小帅1,∗,王伟1,2,张镭1,3,李维新1,张毅敏11.环境保护部南京环境科学研究所,南京2100422.沈阳农业大学土地与环境学院,沈阳1108663.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,阜新123000收稿日期:2011-08-30　　　修回日期:2011-10-13　　　录用日期:2011-10-13摘要:为加强水污染控制及提高红色粘土的资源开发与利用,研究了3种红色粘土对模拟废水及畜禽养殖废水中磷的净化性能,并探讨了其吸附机理,继而分析了红色粘土在处理实际畜禽养殖废水中应用的可行性.结果显示,3种红色粘土对35mg·L-1模拟含磷废水中磷的去除率皆达到90%,对50mg·L-1模拟含磷废水中磷的去除率皆达到85%,均显著优于活性炭,其中R-3处理效果最佳.红色粘土中的氧化铁铝易与磷结合成铁磷、铝磷,且颗粒组成越小越有利于其对磷的吸附净化.经R-3和R-2处理含磷浓度为29.3mg·L-1的畜禽养殖废水,总磷浓度达到我国相应排放标准,而处理含磷浓度为93.7mg·L-1的畜禽养殖废水时,经R-2和R-3二次处理后可达到排放标准.综合分析表明,红色粘土可作为废水中磷的净化材料,尤其在处理畜禽养殖废水磷的方面具有良好的应用前景.关键词:红色粘土;模拟废水;畜禽养殖废水;磷;吸附净化文章编号:0253-2468(2012)06-1399-07　　　中图分类号:X703.1　　　文献标识码:APhosphorusremovalfromsyntheticandactuallivestock/poultryfarmwastewaterbyredclayHANGXiaoshuai1,∗,WANGWei1,2,ZHANGLei1,3,LIWeixin1,ZHANGYimin11.NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing2100422.CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang1108663.CollegeofResourceandEnvironmentEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000Received30August2011;　　　receivedinrevisedform13October2011;　　　accepted13October2011Abstract:Inordertointensifywaterpollutioncontrolandenhanceredclayresourcedevelopmentandutilization,thisstudyidentifiedtheadsorptioncapacitiesandmechanismsofphosphorus(P)insyntheticandlivestockandpoultryfarmwastewaterby3redclaysamples.Theapplicationpossibilityoflivestockandpoultryfarmwastewatertreatedbyredclaywasthenanalyzed.ResultsindicatedthatthePremovalcapacitiesof3redclaysampleswereallbeyond90%in35mg·L-1Psyntheticwastewater,andtheremovalcapacitiesallexceeded85%in50mg·L-1Psyntheticwastewater.Theremovalcapacitiesof3redclaysampleswerehigherthanremovalcapacitiesofactivecarbon,andtheremovalefficiencyofR-3samplewasthehighest.TheFe-PandAl-PwerereadilyformedbythecombinationofferricandaluminumoxidesinredclaywithP.ItwasfavorableforPadsorptionwithsmallmechanicalcompositionofredclay.ThePcontentsininitiallivestockandpoultryfarmwastewater(29.3mg·L-1P)treatedwithR-3andR-2sampleswerelowerthanthecorrespondingdischargestandardofChina.ThePcontentscanattainthestandardwheninitiallivestockandpoultryfarmwastewaterof93．7mg·L-1PwastreatedwithR-3andR-2samplesfortwotimes.WeconcludedthatredclaycouldserveasanappropriatePadsorptionandpurificationmaterialinwastewater.Particularly,redclayshowedgoodapplicationperspectiveonPremovalinlivestockandpoultryfarmwastewater.Keywords:redclay;syntheticwastewater;livestockandpoultryfarmwastewater;phosphorus;adsorptionandpurification1　引言(Introduction)水体富营养化不仅严重破坏了水体的自然功能,而且直接影响了人类对水资源的开发与利用,是当今面临的重大环境难题,备受社会各界关注(贾晓燕,2003).研究表明,磷是导致水体富营养化环　　境　　科　　学　　学　　报32卷的主要因素,因此,控制水体富营养化的关键是有效控制水体中的磷(吴海林等,2003).水体中磷的来源较为复杂,其中集约化养殖业废水磷的排放是引起水体富营养化的重要原因之一.近年来,我国畜禽业得到快速发展,但部分废水未经适当处理或基本未经处理就直接排放,严重污染了周围环境并对水体富营养化产生了不良的影响(王宣等,2007).截至2002年,我国畜禽养殖粪便排放量已经成为较工业废水、生活污水和固体废弃物大的污染源(王韶华等,2007).在许多地区,畜禽养殖废水污染负荷已超过了水环境容量.因而,畜禽养殖业废水的处理已迫在眉睫,尤其是在畜禽养殖区控制水华和水体富营养化的关键就是减少畜禽养殖废水中磷的排放(曾悦等,2004),同时,畜禽养殖废水中磷也是宝贵的资源.因此,研究畜禽养殖业废水的除磷与资源化再利用技术,已成为当前的热点.迄今为止,包括畜禽养殖业废水在内的主要废水除磷方法可分为3大类(Liuetal.,2007):物理法、化学法和生物法.其中,物理法存在处理效果不佳、生物法存在不易操作等方面的不足(Clarketal.,1997),在实际应用中受到了限制.目前,国内外使用较为广泛的方法为化学除磷法.吸附法是常用的化学除磷方法,近年来,由于其经济有效而倍受关注,其中开发与研制高效廉价的吸附材料则成为吸附法研究的关键(Liuetal.,2007).红色粘土在我国热带及亚热带分布较广,由于地域雨水较为充沛,受到的侵蚀程度较大,且偏酸性,因而作为土地资源,其肥力低下,生产力较差.但红色粘土富含铁铝氧化物,具有较高的粘粒含量,对磷的吸附固定性能较强.目前,国内外对红色粘土与磷的作用研究较为广泛,已有研究表明红色粘土对磷具有较强的吸附性能,但主要局限于对土壤中磷的固定与释放及其影响因素研究较多(李寿田等,2003;李见云等,2007;邵兴华等,2010),而将红色粘土作为吸附基质吸附净化水体中磷的研究仍不多见.仅有的报道(吴春艳等,2003;曹英兰等,2009;贺娜等,2009;黄中子等,2009;王伟等,2011)也是对模拟水体或自然水体中磷的研究,而对高浓度畜禽养殖废水中磷的研究仍未见报道.本文利用江西与江苏3种红色粘土对模拟废水中磷进行吸附净化研究,分析其作用机理,继而在2种不同浓度的实际畜禽养殖废水中进行检验,并对红色粘土在畜禽养殖废水中的应用进行探讨,以期为红色粘土在畜禽养殖废水治理及水环境污染控制中的应用提供科学依据.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　供试材料3种红色粘土分别采自于江西鹰潭(R-1)、江苏宜兴(R-2,R-3),皆为荒地亚层(20~40cm)土壤.红色粘土经自然风干、研磨,过0.149mm孔筛,以备用.3种红色粘土pH约在5左右;颗粒组成采用激光粒度仪测定(孙波等,2007),结果见表1;化学组成采用偏硼酸锂熔融-ICP-AES法测定(鲁如坤,1999),结果见表2.3种红色粘土矿物组成为:小于2μm颗粒中,皆以高岭石为主,含有少量的蛭石和水云母;大于2μm颗粒中,皆以石英为主,含有少量的云母和长石.因活性炭是一种常用的吸附基质,且吸附性能较强,因而,取中国林科院林产化工研究所江苏溧阳市活性炭联合工厂生产的活性炭作为参比材料(CK).表1　红色粘土颗粒组成Table1　Mechanicalcompositionofredclaysamples样品编号2μm粘粒2~50μm粉粒50~2000μm砂粒R-124.9%61.0%14.1%R-220.2%69.9%10.0%R-318.9%71.6%9.5%　　注:以体积百分数计.表2　红色粘土化学组成Table2　Chemicalcompositionofredclaysamples样品编号SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OP2O5TiO2LOISUMR-169.66%13.81%5.34%0.02%0.55%0.06%1.16%0.05%1.