石英砂滤床除苯酚的试验研究

1、石英砂滤床除苯酚的试验研究论文作者：谢水波1娄金生1熊止为1王允麒2摘要：结合石英砂滤床模型试验，研究了石英砂滤床的除酚效果 与机理，提岀了相关数学模型，并通过工程实例进行了验证。研究表 明，该数学模型较客观地 反映了石英砂滤床的除酚规律与含水层的除 酚情况，可用于受微量酚污染河水为主要补给源 的水源井设计中井水 含酚浓度的预测。关键词：石英砂滤床除酚含水层research on phenol removal by quartz sand filterabstract： by the experiment on quartz sand filter, the effect and mechan

2、ism of phenol removal were studied. a related mathematical model was presented and d emonstrated by a project case the results showed that the model described objec tively the phenol removal pattern in the quartz sand filter and in the aquifer, and could be used to predict the phenol concentration i

3、n the design of water wel 1 which was made up by river water polluted by trace amount of phenol.基金项目：湖北省纵向科研资助项目受污染的饮用水水源中，含酚浓度在大多数情况下v001 mg/l,为微量。对饮用水中微量 酚的去除一般有臭氧氧化法、活性炭 吸附法等，但由于费用较高，目前在我国尚难以普遍推广。笔者试图 采用从河流水体岸边或底部的含水层屮截取河床渗透水的“诱渗”1 取水方式来去除水源中的微量酚，并对石英砂滤床与含水层除酚进行 了 一系列的试验研究。1试验方法1.1试验装置与方法试验装置为一根1

4、40mni的有机玻璃管柱，其高度可按需要调 整。管柱底板上钻有lonini的圆孔，孔隙率为25%,其上覆盖尼龙网以 防石英砂流失，管柱中装填粒径为0.5-1. 2mm的石英砂。试验分两阶段：第一阶段采用以长江水为水源的武汉市自来 水，向配水箱内的自来水中投加苯酚，配制成给定浓度的含苯酚原水, 用水泵提升至滤柱中进行除酚试验；第二阶段试验用水则为上述原 水、生活污水、淘米水三者按2.5 ： 1.5 ： 0.5的比例配制（简称混合试验用水）。第一、二阶段的试验数据是滤柱分别连续运行5d和25d 后取进、出水样测得的，分别进行了酚、溶解氧、ph值及水温四个项 目的测定，酚的浓度采用4-氨基安替比林直

5、接光度法测定，并对滤柱 中石英砂表层的菌胶团、丝状菌、杆菌等进行了显微镜检测。1. 2试验结果与讨论第一、二阶段试验吋的水温分别为2324 °c、1215 °c； ph值为6. 5-6. 8；第一阶段试验时的进、出水溶解氧分别为7.367. 76mg/l> 7. 17. 66mg/l,第二阶段试验时进、出水溶解氧分别为8. 239. 87mg/l> 0. 906. 93mg/l；第一阶段试验前期的进、出水溶 解氧几乎一致，仅后期的出水溶解氧较之进水略低，而第二阶段试验 开始，用显微镜观察发现滤柱中石英砂表面出现菌胶团之后，出水溶 解氧比进水明显降低，最多低达90

6、%,进水苯酚浓度对苯酚去除率的 影响见图lo试验结果分析：%1 进水苯酚浓度对苯酚去除率的影响由图1可见，在所试验的苯酚浓度下，石英砂滤层均有一定 的除酚效果，并随进水苯酚浓度 降低，苯酚去除率呈显著升高。在忽 略试验连续时间影响的条件下，当进水苯酚 浓度均从003 mg/l降至 0. 008 mg/l 时，经4 m厚石英砂层渗滤后，笫一、笫二 试 验阶段的苯酚 去除率分别从26. 67%增大到35%和从36. 67%增大到45%o%1 石英砂层厚度对苯酚去除率的影响在进水苯酚浓度、试验连续时间相同的条件下，随着石英砂 层增厚，苯酚去除率也随z提高（见图2）。如在连续试验的第6 d, 由单一试

7、验用水配制的进水苯酚浓度为0. 03 mg/l条件卜'，分别经lm、 2m、4m厚石英砂层渗滤后，苯酚去除率相应为20%、23.33%、26.67%。不同厚度石英砂层的除酚试验结果还表明，当进水苯酚浓度 较低（vo. 03mg/l）吋，苯酚的去除基木上都是在滤柱进水的前部分lm 石英砂层中完成的，后续的生产试验也表明，石英砂层厚度进一步增 大，苯酚的去除率增加甚微，但有相同的趋势。%1 试验连续时间对苯酚去除率的影响在进水苯酚浓度、石英砂层厚度一定的条件下，苯酚去除率 随试验连续时间延长而有所增大,如当进水苯酚浓度为0.008 mg/l, 试验连续时间自第二阶段试验的第28d到第42d

8、时，经lm、2m、4m 石英砂层渗滤后苯酚去除率相应从35. 1%、37%和40. 8%增大到38. 7%、 41.25%和 45%（见图 3）orti以上分析可知，进水苯酚浓度对苯酚去除率影响显著，而 石英砂层厚度、试验连续吋间对苯酚去除率亦有影响，为次要影响因 素。滤池及河床渗井的滤层均多为人工滤层，其渗透系数较大，相关 试验表明渗透系数减小，除酚效果有所提高，但单位产水量较低，因 而本试验 着重研究常规滤层渗透系数的情况。至于不同试验水源，全 部试验资料都证明它对苯酚去除率基本没有影响。2石英砂滤床除酚的数学模型为建立一个与石英砂层实际除酚效果相吻合的数学模型，必 须弄清试验过程中酚的挥

9、发究竟对试验结果有多大影响。研究表明, 进水含酚量v300mg/l时，酚挥发量较少或极微。木试验进水苯酚浓 度均0. 2 mg/l,远远低于上述值，且第一阶段试验时的水温为23 24°c,第二阶段试验时还下降到1215 °c,故可忽略酚的挥发对试 验结果的影响。基于前述对影响苯酚去除率因素的分析，从动力学角 度对石英砂层的物理化学、生物学等除酚规律进行研究，固定某些参 数，考察其他参数之间的关系，发现参数之间均存在指数关系，选择 下式描述右英砂层的除酚公式：c = kcoqzbty (1)式屮c出水苯酚浓度，mg/lco进水苯酚浓度，mg/lz石英砂层厚度，m试验连续时间，

10、dk、q、b、y 常数及三参数的指数对试验数据进行数理统计计算后，得到下列公式：c=l. 49c01. 11z-0. 075t-0. 094 (2)3 数学模型的验证与应用实例1湖北英山县某公司在河床上建有一座井底进水非 完整河床渗井，井深为5. 6m,在该井连续运行256d测得井周河水含 酚浓度为0. 002mg/l时，井水含酚浓度为0. 0008mg/l。在该井连续 运行466d测得井周河水含酚浓度为0. 006mg/l时，井水含酚浓度为 0. 002mg/lo当井周河水含酚浓度已知时，根据式(2)来预测井水含酚浓 度，需知道垂直于河水渗滤方向的含水层厚度。为简便起见，通过对 各种不同埋深

11、(h)条件下的井底进水非完整河床渗井集 水流网分析， 得到以下关系式：z 含=1. 72h (3)按式计算,h = 56m时的乙含=9. 63m,并代入式得ct = 256d = 1.49x 0. 0021. 11 x9. 63-0. 075 x 256-0. 094 =0. 000 75 mg/l； ct=466d=0. 0024mg/lo实例2重庆市某造船厂在长江河床上建造的井底进水非 完整河床渗井的埋深为5.0m ,在该井投产运行15 d测得井周江水 酚的浓度为0.018mg/l时，井水含酚浓度为0.012 mg/l,将h值代入 式求出z含= 8.6 m后代入式得c= 1.49x0. 0

12、181. 11 x8. 6-0. 075x15-0. 094 = 0. 0114mg/lo经对工程实例中井水含酚浓度实测值与按式(2)计算值进行 比较，二者基本吻合，公式的精 度大致在89%95%左右，表明式(2) 较真实地反映了含水层的除酚情况。4石英砂层与含水层的除酚机理4. 1对苯酚的吸附作用粒径为0.5l2niin颗粒的石英砂层与由不同粒径颗粒构成 的各种含水层，不仅都具有巨大的表面积，而且颗粒的表面一般带有 负电荷。苯酚分了的轻基(-0h)中0的电负性为3. 5,而h的电负性为 2.1,因而疑基中0与h形成的共价键的共用电子便明显偏向0,致使 0带部分负电荷，h则带部分止电荷，在颗粒

13、表面的静电引力作用下, 加酚分子便被颗粒表面所吸附。在第一、第二阶段试验刚开始的头几 天与河床渗井的投产初期，人工配制的含苯酚污水与受酚污染河水分 别经石英砂滤层与含水层渗滤后含酚浓度的降低，主要表现为颗粒表 面的吸附作用。4.2颗粒表面吸附与微生物分解的联合作用据研究，大多数细菌等电点的ph值为34,而水屮细菌细 胞表面电荷的性质受ph值控制，即水的ph值低于细菌等电点时，细 菌细胞表面带正电荷，反z则带负电荷。试验时人工配制的原水接近 中性水，故细菌细胞表面带负电荷，细菌通过“类氢键”将酚吸附于 自身表面，进而被吸入体内进行分解。因此，第一、二阶段试验的石 英砂层除酚效率随试验时间延长而提高，显微镜观察发现石英砂表层 有胶菌团、丝状菌和杆菌生长。在实际工程中，含水层随生产运行时 间的延长，除酚效率提高，这主要是颗粒表面吸附与微生物吸附分解 作用逐渐增强所致。5结论%1 经石英砂滤床渗滤去除湖北英山、重庆等地受污染河水屮 的微量酚，获得了良好效果。当含酚浓度为0. 006 mg/l的河水经河床 含水层渗滤，井水含酚浓度降到了 0. 002mg/l以下，酚去除率近70%o%1 通过滤柱试验建立起来的石英砂滤床除酚数学模型，可用 于预