填料組合對水中污染物的吸附特性研究

填料組合對水中污染物的吸附特性研究

1人工濕地填料作為一種低投資、低能耗、強抗沖擊性、運營管理簡單的環(huán)境濕好處理技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)改善和生態(tài)功能恢復(fù)（tental.，2002；bezberah等人，2003）。涂層是人工濕地的重要組成部分，主要用于清除水中的氮和磷。在濕地中，填充可以通過吸收、沉淀、過濾等物理因素來清除水中的污染物，從而為微生物固定和植物生長創(chuàng)造合適的條件，以達到生物除氮和磷的目的。涂層的物理和化學(xué)性質(zhì)對水的去除有一定的影響（夏漢平，2002）。國內(nèi)外科學(xué)家對濕地的科學(xué)研究做出了大量的研究（dri旭等人，2000；andra等人，2000；黃義群等人，2009；趙占軍等人，2011；張方等人，2006；葉建堅等人，2006）。最常見的人工濕地材料包括沸騰石、巖屑、碎屑、火山巖、陶粒、磚塊、鋼渣等。沸騰石是一種結(jié)構(gòu)良好的硅鋁酸鹽礦物。晶體中有許多規(guī)則排列、大小均勻、相互關(guān)聯(lián)、與外界相連的孔和孔道。這種獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它的良好吸附性能。趙占軍等人（2011）比較了沸騰石、圓形陶粒、粗砂、黃巖和礫石對氮和水的影響。從已有文獻看,關(guān)于單種填料對氮、磷等污染物去除的研究已較多,但針對混合填料不同配比組合對污染物去除的研究較少(Drizoetal.,2000;Andreaetal.,2000;黃逸群等,2009;趙占軍等,2011;章芳等,2006;葉劍鋒等,2006).混合填料不同的性質(zhì)不僅為人工濕地基質(zhì)系統(tǒng)中微生物提供了更加多樣的生長環(huán)境,且不同填料對不同污染物去除的優(yōu)勢互補,可以提高污染物總體的去除效果,因此,進行混合填料不同配比組合對污染物去除效果的研究具有重要意義.本研究選取沸石、火山巖、空心磚、鋼渣4種填料,通過等溫吸附試驗考察不同填料組合方式對氮、磷等污染物的去除效果.然后,根據(jù)試驗結(jié)果選取對氮、磷具有穩(wěn)定去除效果的填料組合方式進行模擬人工濕地基質(zhì)系統(tǒng)的動態(tài)試驗,考察不同填料組合方式在連續(xù)運行狀態(tài)下對污水中COD、NH2材料和方法表面活性劑2.1填料及理化性質(zhì)沸石、火山巖購于北京某濾料廠,沸石粒徑2~5mm,火山巖粒徑2~10mm.空心磚來自北京某工地,鋼渣來自南昌某鋼廠,研磨過篩后粒徑為2~5mm.各填料均用清水清洗,并烘干備用.填料干容重與孔隙率采用標(biāo)準(zhǔn)土壤學(xué)方法測定(Prochaskaetal.,2006).填料的化學(xué)組成采用X射線能譜儀測定(EX-250,HORIBA公司,日本).4種填料的理化性質(zhì)如表1所示.2.2填料吸附試驗2.2.1單種填料對氮、磷的等溫吸附試驗準(zhǔn)確稱取沸石、空心磚、火山巖(沸石、空心磚、火山巖、鋼渣)1g于100mL的錐形瓶中,分別準(zhǔn)確加入NH2.2.2填料組合對氮、磷的吸附試驗分別準(zhǔn)確稱取不同比例(見表2)的混合填料10g于250mL的錐形瓶中,加入NH2.2.3填料柱動態(tài)試驗試驗裝置模擬上行流垂直潛流人工濕地,裝置直徑15cm,高100cm,填料層高度80cm,底部填充10cm厚的礫石為布水區(qū)(圖1).填料柱采用蠕動泵進水,進水以松花江富錦段微污染江水水質(zhì)為依據(jù)配水,水質(zhì)為COD80~100mg·L2.3分析COD采用重鉻酸鉀法測定,NH3填料的等溫吸附模型單種填料對溶液中氮、磷的等溫吸附結(jié)果見表3.由于鋼渣在前期實驗中對NH通過Langmuir模型擬合了各基質(zhì)的吸附過程,擬合的相關(guān)參數(shù)如表4所示.Langmuir模型均能很好地描述各填料的吸附特征.各填料對NHLangmuir等溫吸附模型中的K值為吸附結(jié)合能,K值越大,表示填料與溶質(zhì)的結(jié)合越穩(wěn)定.從表4可以看出,各填料與NH3.2填料組合方式對氮、磷的去除效果根據(jù)上述實驗結(jié)果,綜合考慮各填料吸附能力及其性質(zhì)的差異,進行不同填料組合方式的優(yōu)化配比.不同填料組合方式對氮、磷48h的吸附量如表5所示.由表可知,不同填料組合方式對NH對磷去除效果最好的為ZS與ZVS的填料組合方式,48h內(nèi)可對溶液中的磷實現(xiàn)完全吸附,吸附量均達到了200mg·kg3.3do、ph的影響填料的靜態(tài)吸附試驗并不能準(zhǔn)確評價濕地填料的除污能力,必須運用靜態(tài)試驗與動態(tài)試驗相結(jié)合的方法來評價濕地的除污能力.總結(jié)分析不同填料組合方式對氮、磷的去除效果,選取對氮、磷同時具有較好去除效果的填料組合方式進行動態(tài)試驗研究,選取的填料組合方式為ZH11、ZH12、ZVH121、ZVH112.另外,為了考察含鋼渣的組合方式在動態(tài)試驗中對污染物的去除效果,選取ZS12的組合方式進行動態(tài)試驗.表6為運行期間各反應(yīng)器進出水污染物平均濃度及去除效率.不同反應(yīng)器對于各污染物的去除效果存在差異.如表6所示,不同填料組合方式對COD去除率由大到小順序為:ZVH121>ZH11>ZVH112>ZH12>ZS12.對COD去除效果最好的填料組合ZVH121,但各反應(yīng)器中COD去除率相差不大,均維持在60%左右.不同填料組合方式對NH總結(jié)分析各填料組合方式對污染物的去除效果,效果最好的填料組合方式為ZH11,其對COD、NH不同填料組合方式對污染物去除效果的差異,除填料吸附能力的強弱外,反應(yīng)器中微生物也起到了決定性的作用.考慮到微生物對污染物去除的影響,從填料反應(yīng)器的A、B、C、D4個取樣口取樣,研究污染物在反應(yīng)器豎直空間的分布及DO、pH對污染物去除的影響.3.3.1DO與pH運行穩(wěn)定后,反應(yīng)器中不同填料段DO與pH的變化如圖2所示.DO在各反應(yīng)器分布趨勢基本相似,在各段的數(shù)值上存在差異.DO在不同填料段的濃度具有明顯的空間特征,導(dǎo)致反應(yīng)器在不同段形成了厭氧、缺氧、好氧交替的環(huán)境,這對微生物的生物降解、硝化、反硝化作用具有較大的影響.在各反應(yīng)器底部20cm處DO濃度均在0.5mg·LpH作為一個重要的參數(shù),不僅對填料吸附污染物量的大小產(chǎn)生一定影響,同時也會影響微生物的活性.一般而言,硝化、反硝化反應(yīng)的pH范圍為5.5~10.0,適宜pH為6.5~9.0,在這個范圍之外,反應(yīng)速率降低(鄭平等,2004).試驗進水pH維持在7.6左右,從圖中可知,各反應(yīng)器底部20cm處的pH保持在7.5~9.5之間.同時,隨反應(yīng)器高度的增加,反應(yīng)器中pH逐漸升高,其中,ZH11、ZVH121、ZVH112的組合方式pH增加較緩,頂部80cm處pH均在9.0以下;ZH12、ZS12的組合方式pH升高較多,ZH12組合pH在頂部80cm處達到10.89,而ZS12組合的pH在反應(yīng)器40cm處已達到11以上,與反應(yīng)器底部pH差異較大.這是由于該組合方式中存在較多的鋼渣與空心磚,CaO是鋼渣和空心磚的主要成分之一,CaO的溶出導(dǎo)致溶液中Ca3.3.2COD圖3為運行穩(wěn)定后,不同反應(yīng)器中COD沿豎直方向上的變化情況,在0~20cm間,COD迅速下降,在20~80cm間,COD則無顯著降低.COD沿反應(yīng)器豎直方向的變化與DO的變化相比較,說明污水在進入反應(yīng)器后,DO被好氧微生物迅速利用用于COD的降解.而在大部分有機物被降解后,COD較低,同時因為生物量、pH等的影響,在反應(yīng)器頂部COD很難被進一步降解.有研究人員在反應(yīng)器頂部加入曝氣裝置,其COD去除率要高于無曝氣反應(yīng)器(Ongetal.,2010).由于本研究進水中COD偏低,且出水濃度也較低,為節(jié)約能耗,無需加入曝氣裝置.但遇到人工濕地處理高COD污水時,可在人工濕地中加入曝氣裝置,利于有機物更好地去除.3.3.3NH3.3.4NO圖5為NO3.3.5TP在人工濕地中,磷素的去除主要是通過填料吸附和化學(xué)沉淀實現(xiàn)的(Drizoetal.,1997),微生物與植物的除磷量較小(Seoetal.,2005).研究表明(Bowdenetal.,2009),填料中的Ca圖6展示了反應(yīng)器運行前70d,各反應(yīng)器中TP去除率的情況.ZH12、ZH11、ZS12填料組合對磷一直保持著較高的去除率,而ZVH121、ZVH112填料組合在運行期間磷去除率的降低,是因為在該組合中空心磚含量較少,在反應(yīng)器運行一段時間后,反應(yīng)器中的空心磚對磷吸附達到飽和.含鋼渣的ZS12組合對磷的去除效果穩(wěn)定且較高,但相比較于其他污染物的去除,鋼渣并不適于在人工濕地處理含磷較低廢水的工程中應(yīng)用.而空心磚不僅能有效地去除磷,且對氮的去除無明顯負作用,適合添加