開發一種具備氮、磷雙重吸附能力的富營養化水體修復材料,以沸石為原料,將天然沸石堿洗后與Ca(OH)2、膨潤土進行混合,再通過調整混料比例、煅燒溫度、煅燒時間、升溫速率等過程,篩選出既具有脫氮、除磷能力,又具有一定機械強度的復合顆粒材料。結果表明:復合顆粒材料最佳制備條件為沸石、Ca(OH)2、膨潤土混料質量比20︰1︰2,煅燒溫度504℃,煅燒時間1.2h,升溫速率5.6℃·min-1。通過單因素實驗和相關性分析表明,各因素對材料磷酸鹽吸附量、氨氮吸附量、散失率均有不同程度的影響,其中Ca(OH)2與磷酸鹽、氨氮吸附量均具有顯著相關性。當初始氮、磷質量濃度為25mg·L-1時,新型復合材料對磷酸鹽和氨氮理論吸附量分別為4.39、4.01mg·g-1,去除率分別可達到87.7%和80.1%,散失率為11.4%。

水體富營養化及其導致的藍藻水華是全球矚目的水環境問題,也是我國面臨的重大水污染問題之一.氮、磷營養鹽的大量輸入并在水體中過量累積是導致富營養化發生的根本原因,同時,富營養化引起的藻華爆發,對水質安全、人類健康、經濟發展、生態平衡以及社會穩定等都造成負面的影響。目前很多研究都認為,即使湖泊外源氮、磷污染物輸入得到有效控制,由于長期累積的內源氮、磷污染物的再次釋放,水體富營養化狀態也很難逆轉,可見,控制水體內源氮、磷污染負荷迫在眉睫。

近年來,通過改性方法提高基體材料除磷能力的研究較多,如鋁、鐵鹽及鑭改性等。其中,鋁、鐵改性材料雖有明顯除磷效果,但置于水體中時,材料中的重金屬離子會釋放,危害水生生物生存和生長,造成水體的二次污染,存在生物毒性風險。同時,有研究表明,當水體pH持續>9.5時,光合作用會使得沉積物中鋁改性材料再次釋放磷。鑭屬于稀有元素,相較于Al3+和Fe3+成本昂貴,在實際工程使用時也受到諸多限制。Ca(OH)2由于其低成本、低毒和生物可利用性,越來越多地被用作改性劑。

然而大多研究只是對沸石粉末直接進行改性,或通過投加粉末狀吸附劑達到脫氮、除磷效果,而未考慮粉末材料不易沉降、穩定性較差等缺點,因此,將材料機械強度考慮在內具有重要意義。有研究表明,硅酸鈉質量分數會影響沸石陶粒單位密度強度,膨潤土具有凝固硬化作用,Wu等通過控制煅燒溫度和煅燒速率來控制多孔材料機械強度。但大多文獻只是以陶粒高強度性能為唯一指標對材料制備條件進行探討,而未考慮其吸附性能。

復合材料散失率與Ca(OH)2呈負相關關系,當Ca(OH)2添加量>0.4g時,散失率下降趨勢逐漸平緩,且不具有顯著性差異,最后降至1.6%。可能由于在煅燒過程中,部分Ca(OH)2氧化為CaCO3,有研究表明,CaCO3可有效增強材料的硬度,因此,Ca(OH)2的添加有利于復合材料散失率的降低。

另外,有研究表明,鑭改性沸石吸附效果明顯,但鑭作為稀土元素,價格昂貴,在批量生產中受到諸多限制。同時,鋁改性沸石置于富營養化水體后,鋁離子會釋放進入水體,進而對水生生物產生毒性,使水體有惡化的風險。而本研究復合材料的原料成本低,并且投加水體后不會產生生態風險。綜上所述,本研究復合材料在天然水體中具有一定實際應用價值。