一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质及其制备方法与流程

本公开属于污水处理以及废弃植物资源化技术领域，尤其涉及一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质及其制备方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

水体富营养化问题呈现出越来越普遍和加剧的状态，所谓富营养化，是指湖泊、河流、水库等水体中氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。作为富营养化水体的限制性营养元素，磷的去除一直是需要研究的重点问题。磷的富营养化浓度(＞0.01～0.02ppm)远低于污水排放的标准浓度(＜0.1mg/l)，因此，对污水中的磷进行深度净化是非常有必要的。

人工湿地是一种常用的污水深度处理技术，它可以通过水生植物、基质和微生物的共同作用来完成对磷的去除。研究证明，人工湿地中70％以上的磷是通过基质的吸附作用去除的。因此，高效除磷湿地基质的研发是强化人工湿地除磷的关键。

生物炭作为一种常见的吸附剂，具有表面官能团丰富、比表面积较大、吸附性能好、性质稳定、再生性好等优点。以生物炭作为湿地改良基质具有非常好的应用前景。生物炭除了可以捕捉和固定氮、磷等植物必需营养物质,促进植物的生长,还能为微生物提供足够的附着点和反硝化碳源。湿地植物是制备生物炭的良好原料，一方面，湿地植物含有丰富的生物质，其中高含量的纤维素和半纤维素有助于生物炭的形成，另一方面，废弃的湿地植物的资源化利用目前仍存在限制，冬季枯萎的湿地植物容易堵塞人工湿地，影响湿地的维护和运行。因此，以湿地植物为原料制备生物炭并回填至人工湿地，不仅可以获得优秀的人工湿地基质，而且可以实现人工湿地废弃植物的资源化利用。但生物炭表面的官能团主要带负电荷，对磷酸根的亲和力较差，直接使用对磷的专性吸附能力有限。

发明人在研究中发现，廉价的稀土金属镧可以通过内层络合，化学沉淀，静电吸引等方式与磷酸根结合，形成稳定的络合物，从而实现水中磷酸盐的去除。已有研究证实，将镧负载到生物炭上，可以显著增强生物炭的高效除磷能力。但是现有的镧负载方式容易出现结合不牢固，负载不均匀等问题，且操作步骤多，无法一步合成。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种水热法镧改性生物炭基质及其制备方法，通过一步合成水热法将镧以水和氧化物的形式负载到以湿地植物为原料的生物炭上，得到了可以高效率专性吸附磷的人工湿地生物炭基质，而且该基质可以为微生物的反硝化过程提供缓释碳源。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质的制备方法，包括以下步骤：

将湿地植物的秸秆晾干，洗净，烘干，切碎，置于水热反应釜中，加入氨水和镧(七水合氯化镧)的混合水溶液；

在一定温度下，将混合物在水热反应釜的限氧环境中进行一定时间的水热炭化反应；

水热炭化反应结束后，过滤分离沉淀物，用去离子水洗涤后，烘干至恒重，即得水热法镧改性生物炭，简称水热镧生物炭，作为人工湿地的基质使用。

进一步的技术方案，所述湿地植物秸秆与镧元素的质量比是1:0.05-0.1，与氨水的质量比是1:0.3-1，与纯水的质量比是1:10-20。氨水不仅为生物炭增加了表面含氮官能团，且提供了碱性环境，让镧以水合氧化态与生物炭紧密络合。

进一步的技术方案，所述将水热反应釜在限氧环境中进行水热炭化处理，反应温度为200-300℃，反应时间为10-20小时。

第二方面，公开了一种水热法镧改性的人工湿地生物炭基质，采用上述方法获得。所述生物炭基质各组分包括20％的生物炭，80％的其他常规基质。

进一步的技术方案，所述常规基质包括但不限于石英砂，沸石或砾石中的一种。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开技术方案通过水热法将镧负载到以湿地植物为原料制备的生物炭上，获得了可以高效除磷的镧改性生物炭基质。采用一步合成水热法的方式，工艺简单，成本低，收益高。

本公开技术方案制备的水热镧生物炭，既为镧提供了吸附除磷位点，也为微生物的反硝化过程提供缓释碳源，可以实现同步强化脱氮除磷，此方法简单高效，收益高。

本公开技术方案所用的水热法，可以将镧以水合氧化镧的形式结合到生物炭上，高效稳定。

本公开技术方案使用的原料比例，可以最大化湿地植物的利用率和镧的负载效果，并获得了最优化的除磷效果。

本公开技术方案使用湿地中最常见的植物作为生物炭制备的原料，促进了湿地植物的资源化循环利用，缓解了冬季因废弃植物而产生的人工湿地的堵塞问题。

本公开技术方案所用的镧与磷的亲和力强，结合能力稳固，且价格低廉，与生物炭结合后，不仅可以借助生物炭的表面官能团更容易地与磷酸盐络合，而且避免了生成磷酸盐沉积对湿地底层造成污染。

本公开技术方案以水热镧生物炭为改良基质构建的湿地系统，除磷效率高。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开与常规填料石英砂对磷吸附能力对比；

图2为本公开与常规填料石英砂随水力停留时间对磷吸附量的变化曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

公开了一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质的制备方法，包括：

(1)将湿地植物芦苇的茎秆，晾干，洗净，烘干，切割成1-2cm的小块，置于水热反应釜中，加入质量比1:0.3的氨水，质量比1:0.1的镧元素，质量比1:10的纯水。

(2)将步骤(1)所属反应体系在限氧环境中进行水热炭化处理，反应温度为240℃，反应时间为10小时，反应结束后，过滤分离沉淀物，用去离子水洗涤，在75℃下烘干至恒重，即得载镧湿地植物生物炭。

实施例2

公开了一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质的制备方法，包括：

(1)将湿地植物芦苇的茎秆，晾干，洗净，烘干，切割成1-2cm的小块，置于水热反应釜中，加入质量比1:0.6的氨水，质量比1:0.1的镧，质量比1:10的纯水。

(2)将步骤(1)所属反应体系在限氧环境中进行水热炭化处理，反应温度为240℃，反应时间为10小时，反应结束后，过滤分离沉淀物，用去离子水洗涤，在75℃下烘干至恒重，即得载镧湿地植物生物炭。

实施例3

公开了一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质的制备方法，包括：

(1)将湿地植物芦苇的茎秆，晾干，洗净，烘干，切割成1-2cm的小块，置于水热反应釜中，加入质量比1:1的氨水，质量比1:0.1的镧，质量比1:10的纯水。

(2)将步骤(1)所属反应体系在限氧环境中进行水热炭化处理，反应温度为240℃，反应时间为10小时，反应结束后，过滤分离沉淀物，用去离子水洗涤，在75℃下烘干至恒重，即得载镧湿地植物生物炭。

实施例4

公开了一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质，其特征是，采用上述实施例子1-3任一所述的方法获得镧改性生物炭，与常规基质以1：4的比例掺杂使用。采用上述镧改性生物炭基质构建人工湿地。

应用实验

将实施例4中制得的水热镧生物炭基质用于人工湿地强化除磷：

以有机玻璃材料构建两组圆柱形人工湿地模型，直径20cm，高50cm，底部用直径35cm的固定托盘保证装置稳定。湿地基质为镧改性生物炭基质和石英砂。湿地植物使用芦苇，种植面积为16株/平方米。系统进水为人工配置的含磷污水(1-5mg/l),进水方式均为间歇进水。

如图所示，图1为本公开与在不同磷进水浓度下除磷能力的对比，吸附能力以吸附量表示。

图2为本公开与常规填料石英砂在不同水力停留时间下除磷的吸附量对比，进水磷浓度为5mg/l。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。