添加小龙虾壳生物炭和海绵零价铁的模拟垂直流人工湿地脱氮和除磷效果研究

2020年3月至2020年7月,利用废弃小龙虾(Procambarus clarkii)壳,在热解温度为300℃和800℃下,制备小龙虾壳生物炭,并将其与海绵零价铁混合,制备成模拟垂直流人工湿地的新型填充基质材料。在小龙虾壳生物炭与海绵零价铁投入量的比例分别为2∶1、1∶1和1∶2,且二者的总投入量分别为60 g、90 g和120 g、水力停留时间分别为6 h、12 h和24 h条件下,在18个模拟垂直流人工湿地中开展实验,研究以小龙虾壳生物炭、海绵零价铁和石英砂为基质的模拟垂直流人工湿地对污水中硝态氮、总氮和磷酸根的同步去除效果。研究结果表明,在不同热解温度下都成功制备了小龙虾壳生物炭,其中,300℃下小龙虾壳生物炭的碳元素含量(43.75%)较大,而800℃下小龙虾壳生物炭的孔结构发育更加完全;当模拟垂直流人工湿地进水中的硝态氮质量浓度为30 mg/L和总磷酸根质量浓度为2.35 mg/L时,800℃小龙虾壳生物炭与海绵零价铁投加比例为1∶2为最佳填料比,两者总投入量为120 g为最佳投加量;在实验的第64天至第65天,在最佳填料比和最佳投加量条件下,当水力停留时间为6 h时,模拟垂直流人工湿地对污水中硝态氮的去除率达到最大(92.77%);在实验的第76天至第77天,在最佳填料比和最佳投加量条件下,当水力停留时间为24 h时,模拟垂直流人工湿地对污水中总氮的去除率达到最大(71.16%);在实验的第89天至第90天,在最佳填料比和最佳投加量条件下,当水力停留时间为12 h时,模拟垂直流人工湿地对污水中磷酸根去除率达到了49.71%。小龙虾壳生物炭耦合海绵零价铁强化垂直流人工湿地的推广应用,不仅实现了废弃小龙虾壳的资源化利用,而且增大了其对污水中硝态氮、总氮和磷酸根的去除率。