填料组合对水中污染物的吸附特性研究

填料组合对水中污染物的吸附特性研究

1人工湿地填料作为一种低投资、低能耗、强抗冲击性、运营管理简单的环境湿好处理技术，已广泛应用于水质改善和生态功能恢复（tental.，2002；bezberah等人，2003）。涂层是人工湿地的重要组成部分，主要用于清除水中的氮和磷。在湿地中，填充可以通过吸收、沉淀、过滤等物理因素来清除水中的污染物，从而为微生物固定和植物生长创造合适的条件，以达到生物除氮和磷的目的。涂层的物理和化学性质对水的去除有一定的影响（夏汉平，2002）。国内外科学家对湿地的科学研究做出了大量的研究（dri旭等人，2000；andra等人，2000；黄义群等人，2009；赵占军等人，2011；张方等人，2006；叶建坚等人，2006）。最常见的人工湿地材料包括沸腾石、岩屑、碎屑、火山岩、陶粒、砖块、钢渣等。沸腾石是一种结构良好的硅铝酸盐矿物。晶体中有许多规则排列、大小均匀、相互关联、与外界相连的孔和孔道。这种独特的内部结构决定了它的良好吸附性能。赵占军等人（2011）比较了沸腾石、圆形陶粒、粗砂、黄岩和砾石对氮和水的影响。从已有文献看,关于单种填料对氮、磷等污染物去除的研究已较多,但针对混合填料不同配比组合对污染物去除的研究较少(Drizoetal.,2000;Andreaetal.,2000;黄逸群等,2009;赵占军等,2011;章芳等,2006;叶剑锋等,2006).混合填料不同的性质不仅为人工湿地基质系统中微生物提供了更加多样的生长环境,且不同填料对不同污染物去除的优势互补,可以提高污染物总体的去除效果,因此,进行混合填料不同配比组合对污染物去除效果的研究具有重要意义.本研究选取沸石、火山岩、空心砖、钢渣4种填料,通过等温吸附试验考察不同填料组合方式对氮、磷等污染物的去除效果.然后,根据试验结果选取对氮、磷具有稳定去除效果的填料组合方式进行模拟人工湿地基质系统的动态试验,考察不同填料组合方式在连续运行状态下对污水中COD、NH2材料和方法表面活性剂2.1填料及理化性质沸石、火山岩购于北京某滤料厂,沸石粒径2~5mm,火山岩粒径2~10mm.空心砖来自北京某工地,钢渣来自南昌某钢厂,研磨过筛后粒径为2~5mm.各填料均用清水清洗,并烘干备用.填料干容重与孔隙率采用标准土壤学方法测定(Prochaskaetal.,2006).填料的化学组成采用X射线能谱仪测定(EX-250,HORIBA公司,日本).4种填料的理化性质如表1所示.2.2填料吸附试验2.2.1单种填料对氮、磷的等温吸附试验准确称取沸石、空心砖、火山岩(沸石、空心砖、火山岩、钢渣)1g于100mL的锥形瓶中,分别准确加入NH2.2.2填料组合对氮、磷的吸附试验分别准确称取不同比例(见表2)的混合填料10g于250mL的锥形瓶中,加入NH2.2.3填料柱动态试验试验装置模拟上行流垂直潜流人工湿地,装置直径15cm,高100cm,填料层高度80cm,底部填充10cm厚的砾石为布水区(图1).填料柱采用蠕动泵进水,进水以松花江富锦段微污染江水水质为依据配水,水质为COD80~100mg·L2.3分析COD采用重铬酸钾法测定,NH3填料的等温吸附模型单种填料对溶液中氮、磷的等温吸附结果见表3.由于钢渣在前期实验中对NH通过Langmuir模型拟合了各基质的吸附过程,拟合的相关参数如表4所示.Langmuir模型均能很好地描述各填料的吸附特征.各填料对NHLangmuir等温吸附模型中的K值为吸附结合能,K值越大,表示填料与溶质的结合越稳定.从表4可以看出,各填料与NH3.2填料组合方式对氮、磷的去除效果根据上述实验结果,综合考虑各填料吸附能力及其性质的差异,进行不同填料组合方式的优化配比.不同填料组合方式对氮、磷48h的吸附量如表5所示.由表可知,不同填料组合方式对NH对磷去除效果最好的为ZS与ZVS的填料组合方式,48h内可对溶液中的磷实现完全吸附,吸附量均达到了200mg·kg3.3do、ph的影响填料的静态吸附试验并不能准确评价湿地填料的除污能力,必须运用静态试验与动态试验相结合的方法来评价湿地的除污能力.总结分析不同填料组合方式对氮、磷的去除效果,选取对氮、磷同时具有较好去除效果的填料组合方式进行动态试验研究,选取的填料组合方式为ZH11、ZH12、ZVH121、ZVH112.另外,为了考察含钢渣的组合方式在动态试验中对污染物的去除效果,选取ZS12的组合方式进行动态试验.表6为运行期间各反应器进出水污染物平均浓度及去除效率.不同反应器对于各污染物的去除效果存在差异.如表6所示,不同填料组合方式对COD去除率由大到小顺序为:ZVH121>ZH11>ZVH112>ZH12>ZS12.对COD去除效果最好的填料组合ZVH121,但各反应器中COD去除率相差不大,均维持在60%左右.不同填料组合方式对NH总结分析各填料组合方式对污染物的去除效果,效果最好的填料组合方式为ZH11,其对COD、NH不同填料组合方式对污染物去除效果的差异,除填料吸附能力的强弱外,反应器中微生物也起到了决定性的作用.考虑到微生物对污染物去除的影响,从填料反应器的A、B、C、D4个取样口取样,研究污染物在反应器竖直空间的分布及DO、pH对污染物去除的影响.3.3.1DO与pH运行稳定后,反应器中不同填料段DO与pH的变化如图2所示.DO在各反应器分布趋势基本相似,在各段的数值上存在差异.DO在不同填料段的浓度具有明显的空间特征,导致反应器在不同段形成了厌氧、缺氧、好氧交替的环境,这对微生物的生物降解、硝化、反硝化作用具有较大的影响.在各反应器底部20cm处DO浓度均在0.5mg·LpH作为一个重要的参数,不仅对填料吸附污染物量的大小产生一定影响,同时也会影响微生物的活性.一般而言,硝化、反硝化反应的pH范围为5.5~10.0,适宜pH为6.5~9.0,在这个范围之外,反应速率降低(郑平等,2004).试验进水pH维持在7.6左右,从图中可知,各反应器底部20cm处的pH保持在7.5~9.5之间.同时,随反应器高度的增加,反应器中pH逐渐升高,其中,ZH11、ZVH121、ZVH112的组合方式pH增加较缓,顶部80cm处pH均在9.0以下;ZH12、ZS12的组合方式pH升高较多,ZH12组合pH在顶部80cm处达到10.89,而ZS12组合的pH在反应器40cm处已达到11以上,与反应器底部pH差异较大.这是由于该组合方式中存在较多的钢渣与空心砖,CaO是钢渣和空心砖的主要成分之一,CaO的溶出导致溶液中Ca3.3.2COD图3为运行稳定后,不同反应器中COD沿竖直方向上的变化情况,在0~20cm间,COD迅速下降,在20~80cm间,COD则无显著降低.COD沿反应器竖直方向的变化与DO的变化相比较,说明污水在进入反应器后,DO被好氧微生物迅速利用用于COD的降解.而在大部分有机物被降解后,COD较低,同时因为生物量、pH等的影响,在反应器顶部COD很难被进一步降解.有研究人员在反应器顶部加入曝气装置,其COD去除率要高于无曝气反应器(Ongetal.,2010).由于本研究进水中COD偏低,且出水浓度也较低,为节约能耗,无需加入曝气装置.但遇到人工湿地处理高COD污水时,可在人工湿地中加入曝气装置,利于有机物更好地去除.3.3.3NH3.3.4NO图5为NO3.3.5TP在人工湿地中,磷素的去除主要是通过填料吸附和化学沉淀实现的(Drizoetal.,1997),微生物与植物的除磷量较小(Seoetal.,2005).研究表明(Bowdenetal.,2009),填料中的Ca图6展示了反应器运行前70d,各反应器中TP去除率的情况.ZH12、ZH11、ZS12填料组合对磷一直保持着较高的去除率,而ZVH121、ZVH112填料组合在运行期间磷去除率的降低,是因为在该组合中空心砖含量较少,在反应器运行一段时间后,反应器中的空心砖对磷吸附达到饱和.含钢渣的ZS12组合对磷的去除效果稳定且较高,但相比较于其他污染物的去除,钢渣并不适于在人工湿地处理含磷较低废水的工程中应用.而空心砖不仅能有效地去除磷,且对氮的去除无明显负作用,适合添加