开发一种具备氮、磷双重吸附能力的富营养化水体修复材料,以沸石为原料,将天然沸石碱洗后与Ca(OH)2、膨润土进行混合,再通过调整混料比例、煅烧温度、煅烧时间、升温速率等过程,筛选出既具有脱氮、除磷能力,又具有一定机械强度的复合颗粒材料。结果表明:复合颗粒材料最佳制备条件为Zeolite、Ca(OH)2、膨润土混料质量比20︰1︰2,煅烧温度504℃,煅烧时间1.2h,升温速率5.6℃·min-1。通过单因素实验和相关性分析表明,各因素对材料磷酸盐吸附量、氨氮吸附量、散失率均有不同程度的影响,其中Ca(OH)2与磷酸盐、氨氮吸附量均具有显著相关性。当初始氮、磷质量浓度为25mg·L-1时,新型复合材料对磷酸盐和氨氮理论吸附量分别为4.39、4.01mg·g-1,去除率分别可达到87.7%和80.1%,散失率为11.4%。

水体富营养化及其导致的蓝藻水华是全球瞩目的水环境问题,也是我国面临的重大水污染问题之一.氮、磷营养盐的大量输入并在水体中过量累积是导致富营养化发生的根本原因,同时,富营养化引起的藻华爆发,对水质安全、人类健康、经济发展、生态平衡以及社会稳定等都造成负面的影响。目前很多研究都认为,即使湖泊外源氮、磷污染物输入得到有效控制,由于长期累积的内源氮、磷污染物的再次释放,水体富营养化状态也很难逆转,可见,控制水体内源氮、磷污染负荷迫在眉睫。

近年来,通过改性方法提高基体材料除磷能力的研究较多,如铝、铁盐及镧改性等。其中,铝、铁改性材料虽有明显除磷效果,但置于水体中时,材料中的重金属离子会释放,危害水生生物生存和生长,造成水体的二次污染,存在生物毒性风险。同时,有研究表明,当水体pH持续>9.5时,光合作用会使得沉积物中铝改性材料再次释放磷。镧属于稀有元素,相较于Al3+和Fe3+成本昂贵,在实际工程使用时也受到诸多限制。Ca(OH)2由于其低成本、低毒和生物可利用性,越来越多地被用作改性剂。

然而大多研究只是对沸石粉末直接进行改性,或通过投加粉末状吸附剂达到脱氮、除磷效果,而未考虑粉末材料不易沉降、稳定性较差等缺点,因此,将材料机械强度考虑在内具有重要意义。有研究表明,硅酸钠质量分数会影响沸石陶粒单位密度强度,膨润土具有凝固硬化作用,Wu等通过控制煅烧温度和煅烧速率来控制多孔材料机械强度。但大多文献只是以陶粒高强度性能为唯一指标对材料制备条件进行探讨,而未考虑其吸附性能。

复合材料散失率与Ca(OH)2呈负相关关系,当Ca(OH)2添加量>0.4g时,散失率下降趋势逐渐平缓,且不具有显著性差异,最后降至1.6%。可能由于在煅烧过程中,部分Ca(OH)2氧化为CaCO3,有研究表明,CaCO3可有效增强材料的硬度,因此,Ca(OH)2的添加有利于复合材料散失率的降低。

另外,有研究表明,镧改性沸石吸附效果明显,但镧作为稀土元素,价格昂贵,在批量生产中受到诸多限制。同时,铝改性沸石置于富营养化水体后,铝离子会释放进入水体,进而对水生生物产生毒性,使水体有恶化的风险。而本研究复合材料的原料成本低,并且投加水体后不会产生生态风险。综上所述,本研究复合材料在天然水体中具有一定实际应用价值。