作为除磷基质材料的镁橄榄石的应用

摘要

本发明涉及除磷基质材料，特别涉及一种高效、环保、稳定的作为除磷基质材料的镁橄榄石（forsterite）的应用。本发明是利用镁橄榄石的具有性能稳定、高效除磷、成本低廉等的特点，既可直接将镁橄榄石用于人工湿地中或应用于滤池中作为除磷基质材料，对污水厂二级生化出水或微污染河水的除磷；也可将镁橄榄石作为复合填料的原料之一用于人工湿地中作为除磷基质材料，对污水厂二级生化出水或微污染河水的除磷。应用镁橄榄石作为人工湿地和滤池的除磷基质材料，出水总磷（磷酸盐）浓度优于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的Ⅳ类水质标准，可大大降低受纳水体富营养化的危险，改善水体环境。

说明书

技术领域

本发明涉及除磷基质材料，特别涉及一种高效、环保、稳定的作为除磷 基质材料的镁橄榄石（forsterite）的应用。

背景技术

改革开放以来，尽管我国污水处理取得了长足进步，但我国的水环境质 量不容乐观，水污染防治形势严峻。根据《2011年中国环境状况公报》，全 国地表水污染依然较重，七大水系总体为轻度污染，湖泊（水库）富营养化 问题突出。因此，水体富营养化的防治已成为人们关注的热点问题。水体富 营养化主要是由水体中的N、P浓度增加所致。大量研究表明，控制水体中P 的浓度是控制水体富营养化的关键因素。作为典型的生态处理技术，人工湿 地广泛应用于污染水体的水质净化与恢复、面源污染控制等领域，具有投资 及维护费用低、出水水质好、二次污染小等优点，是消减水体氮磷污染物的 有效工艺之一，它不仅可满足脱氮除磷的水质要求，而且可大幅削减进入受 纳水体的污染负荷，在一定程度上保障受纳水体的水质需求，具有良好的环 境、经济效益。

人工湿地（constructed wetland，CW）是人为建造的利用植物、基质与微 生物三者的物质循环与能量流动来处理污水的一种生态系统。磷是人工湿地 中主要的限制性养分之一，人工湿地对磷的去除主要依靠基质的物理化学作 用、植物的吸收作用和微生物正常的同化及聚磷菌的过量摄磷作用这三方面 作用来完成。其中，基质一直被公认为是进入湿地系统的磷的最终归宿，其 沉淀和吸附作用是磷素最主要的去除途径，贡献率高达70~87%。人工湿地的 除磷效果与基质类型密切相关，基质的理化性质以及特定的吸附能力影响磷 的去除。富含Al³⁺、Fe³⁺、Ca²⁺的基质可通过吸附和沉淀反应达到较好的除磷 效果，而镁系吸附剂对水中的磷酸盐也有着较好的去除能力。因此，选择合 适的人工湿地基质材料，是构建人工湿地，提高人工湿地净化能力的关键举 措。

目前，人们已经探讨了多种天然材料或经物理、化学改性的天然材料以 及人工合成的材料来强化人工湿地吸附除磷效果。但均存在相应的问题，包 括性质不稳定、效率低、投放量大、易造成水体二次污染等。

镁橄榄石（forsterite）作为高效耐火材料，成本低廉、性质稳定，作为富 镁材料具有良好的除磷潜力。目前，利用镁橄榄石作为一种高效除磷材料并 在实际中进行应用，在国内外尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于应用镁橄榄石（forsterite）作为一种除磷基质材料。

本发明的作为除磷基质材料的镁橄榄石的应用，是利用镁橄榄石的具有 性能稳定、高效除磷、成本低廉等的特点，既可直接将镁橄榄石用于人工湿 地中或应用于滤池中作为除磷基质材料，对污水厂二级生化出水或微污染河 水的除磷；也可将镁橄榄石作为复合填料的原料之一用于人工湿地中作为除 磷基质材料，对污水厂二级生化出水或微污染河水的除磷。应用镁橄榄石作 为人工湿地和滤池的除磷基质材料，出水总磷（磷酸盐）浓度优于《地表水 环境质量标准》（GB3838-2002）的Ⅳ类水质标准，可大大降低受纳水体富营 养化的危险，改善水体环境。

所述的直接将镁橄榄石用于人工湿地中作为除磷基质材料，其中人工湿 地中镁橄榄石的填充比例为28.15~47.20kg·m^-2（单位面积填充质量）。填充了 镁橄榄石的人工湿地可高效除磷，且强度高、性质稳定、对水体无二次污染 风险，镁橄榄石作为人工湿地除磷基质材料可得到广泛应用。

所述的直接将镁橄榄石应用于滤池中作为除磷基质材料，其中填充了镁 橄榄石的滤池中的孔隙率为48~53%。

所述的将镁橄榄石作为复合填料的原料之一用于人工湿地中作为除磷基 质材料，是将复合填料中的各填料依照三段式除磷系统中水流方向自进水端 至出水端依次进行填充，按固定填充比例分别平铺填充于三段式除磷系统中， 所述的三段式除磷系统中的第一段除磷系统自进水端开始由上至下分别填充 沸石、无烟煤、钢渣和生物陶粒，填充的沸石：无烟煤：钢渣：生物陶粒的 体积比为1:1~2:1:1；自所述的三段式除磷系统的第二段除磷系统的进水端开 始，由下至上分别填充生物陶粒、镁橄榄石和无烟煤，填充的生物陶粒：镁 橄榄石：无烟煤的体积比为1~2:1:1；自所述的三段式除磷系统的第三段除磷 系统的进水端开始，由上至下分别填充沸石和生物陶粒，填充的沸石：生物 陶粒的体积比为3~4:1。

所述的镁橄榄石为市场上常见，易于获得，属橄榄石族矿物中的一种， 斜方晶系，粒径为2~3mm，属正硅酸盐(Mg.Fe)₂SiO₄分子结构材料，富含MgO， Mg元素的质量百分比含量为26.02~27.31%，并经1300℃煅烧而成。

本发明首次开发利用镁橄榄石作为一种新型高效除磷基质材料，既可用 于人工湿地，又可用于滤池，其特点在于高效、稳定、环保、低成本，其磷 吸附量高达200mg/kg，过滤柱的动态吸附除磷效果保持在80%左右，小试人 工湿地的PO₄^3--P平均去除率为88.87±9.49%，除磷效果显著。

附图说明

图1.本发明实施例1的镁橄榄石吸附磷酸盐前后的SEM照片；其中：A 为镁橄榄石-吸附磷酸盐前的SEM照片；B为镁橄榄石-吸附磷酸盐后的SEM 照片。

图2.本发明实施例1的镁橄榄石吸附磷酸盐前后的X射线能谱分析图； 其中：A为镁橄榄石吸附磷酸盐前的X射线能谱分析图；B镁橄榄石吸附磷 酸盐后的X射线能谱分析图。

图3.本发明实施例1的镁橄榄石的等温吸附曲线。

图4.本发明实施例2的装填镁橄榄石的过滤柱的动态除磷效果。

图5.本发明实施例3的小试人工湿地填料的装填示意图（剖面图）。

图6.本发明实施例3的小试人工湿地试验PO₄^3--P的去除效果。

附图标记

A.沸石  B.无烟煤  C.钢渣  D.生物陶粒  E.镁橄榄石

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实 施例。

实施例1

利用镁橄榄石作为一种新型高效除磷基质材料，采用静态批量试验研究 镁橄榄石的磷吸附性能。采用0.02mol·L^-1KCl溶液配制不同磷浓度的KH₂PO₄标准溶液（以P计，下同）200mL，含磷浓度（PO₄^3--P）分别为1.0mg·L^-1、 2.0mg·L^-1、5.0mg·L^-1、10mg·L^-1、20mg·L^-1、50mg·L^-1、100mg·L^-1、200 mg·L^-1、400mg·L^-1，分别置于250mL锥形瓶中，按照质量/容积比1:20分别 加入10g镁橄榄石（粒径为2~3mm，Mg元素的质量百分比含量为 26.02~27.31%），在恒温摇床中（150r·min^-1、25℃±1℃条件下）连续振荡 48小时，振荡结束后采样，吸附后的水样用0.45μm滤膜过滤后进行分析， 计算镁橄榄石对磷酸盐的吸附量。为了进一步探讨镁橄榄石对磷元素吸附去 除效果的影响，对其吸附前后的表面微观结构和元素含量进行了检测分析。 由图1可知，吸附前镁橄榄石表面呈现晶状体结构，较为平整，吸附后其表 面生成颗粒状结构，形成磷结晶体。对比吸附前后的元素分析图（见图2）可 知，吸附前镁橄榄石以O、Mg、Si等元素为主，吸附后以O、Si元素为主， Mg元素含量大幅下降，P元素含量小幅增加；Mg元素的大幅下降则在一定 程度上说明其作为除磷的主要元素而存在。该材料的等温吸附曲线见图3。利 用Langmuir方程对图3中的数据进行线性拟合，根据该方程式可知，镁橄榄 石对磷的平衡吸附量为169.49mg·kg^-1。

实施例2

利用镁橄榄石作为一种高效除磷基质材料，用于过滤柱除磷。采用有机 玻璃柱（Φ75×600mm）填充镁橄榄石（装填有效高度580mm填充了镁橄榄石 的有机玻璃柱中的孔隙率为52%），连续向填充了镁橄榄石的有机玻璃柱中 注入污水处理厂二级生化出水（PO₄^3--P浓度：1.03±0.58mg/L），运行第一天， 出水PO₄^3--P浓度仅为0.085mg/L；连续运行136个床体积后，磷酸盐平均去 除率为79.63%，平均出水PO₄^3--P浓度为0.23mg/L，出水平均pH值为7.21， 表明镁橄榄石能够高效、环保、稳定去除二级生化出水中的磷酸盐。过滤柱 的动态除磷效果见图4。

实施例3

利用镁橄榄石作为一种高效除磷基质材料，用于人工湿地除磷，填充比 例关系为36.79kg·m^-2（单位面积填充质量）。以三段式除磷系统模拟人工湿 地进行脱氮除磷，并在三段式除磷系统中填充复合填料，各填料依照三段式 除磷系统中水流方向自进水端至出水端依次进行填充(如图5所示)，按固定填 充比例分别平铺填充于三段式除磷系统中，试验所用的三段式除磷系统是一 由PVC板制成的容器，尺寸为0.6m×0.5m×0.3m（长×宽×高），该容器中用 PVC板分隔为3格段，每格段的长为0.2m。由于模拟的人工湿地的长度较短， 因此未设置三段式除磷系统的底部坡度，所述的三段式除磷系统放置在不锈 钢架子上以保证水平。在模拟的人工湿地中种植花叶芦苇（Arundo donax var. versicolor），每格段种植2株。所述的三段式除磷系统中的第一格段除磷系 统自进水端开始由上至下分别填充沸石、无烟煤、钢渣和生物陶粒，填充的 沸石：无烟煤：钢渣：生物陶粒的体积比为1:1:1:1；自所述的三段式除磷系 统的第二格段除磷系统的进水端开始，由下至上分别填充生物陶粒、镁橄榄 石和无烟煤，填充的生物陶粒：镁橄榄石：无烟煤的体积比为2:1:1；自所述 的三段式除磷系统的第三格段除磷系统的进水端开始，由上至下分别填充沸 石和生物陶粒，填充的沸石：生物陶粒的体积比为3:1。填料填充总高度36cm。 水流自第一格段进水端开始首先为下行流，水流自第一格段出水端进入到第 二格段后改为上行流，水流自第二格段出水端进入到第三格段后改为下行流， 试验所用的三段式除磷系统设置有溢流口以保证水位稳定。小试人工湿地系 统处理水量为36L·d^-1，水力负荷为0.2m·d^-1，理论水力停留时间为1天。试验 运行期间，该系统PO₄^3--P平均去除率为88.87±9.49%，除磷效果显著。