水凝膠人工水草處理磁湖污水研究

陶 敏，胡三榮，李勝方

(1湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2 湖北理工學(xué)院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003；3中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

水凝膠人工水草處理磁湖污水研究

陶 敏1,2，胡三榮3，李勝方2

(1湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2湖北理工學(xué)院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003；3中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

分別以活性炭水凝膠、二氧化硅水凝膠為載體制作人工水草，研究了該新型人工水草對(duì)磁湖污水的原位處理效果。結(jié)果表明，二氧化硅水凝膠人工水草可顯著改善水體透明度，對(duì)COD、TN、NH4+-N、TP的吸附速率快，吸附容量可達(dá)7.80mgCOD/g、0.74 mgTN/g、0.29 mgNH4+-N/g、0.036 mgTP/g，其凈化能力明顯優(yōu)于活性炭水凝膠人工水草。經(jīng)汞燈照射后，2種水凝膠人工水草對(duì)各污染物的去除率均有較大的提高，且二氧化硅水凝膠人工水草的再生能力更優(yōu)。因此，二氧化硅水凝膠人工水草可應(yīng)用于磁湖污水的原位修復(fù)。

人工水草；水凝膠；凈化效果；再生能力

磁湖是黃石市城區(qū)湖泊，景色秀美，是黃石市區(qū)最為重要的景觀之一，且在黃石市城區(qū)洪水調(diào)蓄、生態(tài)調(diào)節(jié)等方面起著重要的作用。然而，隨著城市人口和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，磁湖水環(huán)境逐漸惡化，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇[1]。因此，如何削減磁湖水體中的污染物尤其是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)于磁湖水體修復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

人工水草技術(shù)是一種新型的生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)，具有原位處理、凈化效果快、投資低、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，它通過(guò)在受污染水體中設(shè)置懸浮多孔高分子材料，為藻類、微生物提供載體，可以有效提高水體透明度，吸附降解水體中的有機(jī)物、氮、磷、重金屬等污染物[2-4]。目前，人工水草使用的載體主要是聚二氯乙烯、尼龍、聚丙烯合物等多孔高分子材料，吸附效果較好，但存在吸附飽和、難以重復(fù)利用等問(wèn)題。

聚合物水凝膠是一種交聯(lián)的親水性聚合物，特別是水凝膠中的離子官能團(tuán)如羧基、磺酸基、酰胺基、羥基等，可以吸附氮、磷、重金屬、染料等污染物[5-6]；同時(shí)，研究還顯示一些水凝膠具有光催化降解能力，從而可以再生或恢復(fù)部分吸附能力[7]。因此，本文選取2種聚合物水凝膠，探討以水凝膠為載體的人工水草技術(shù)處理磁湖污水的效果，為磁湖水體修復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由9個(gè)500mL的燒杯組成，每個(gè)燒杯中加入500mL的磁湖污水，其中4個(gè)燒杯中放置不同質(zhì)量的活性炭水凝膠人工水草，另外4個(gè)燒杯中放置不同質(zhì)量的二氧化硅水凝膠人工水草，最后1個(gè)燒杯不放置人工水草，作為空白系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)組成如表1所示。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

人工水草由漂浮部分(泡沫)、連接部分(塑料繩)、載體(水凝膠)制作而成，整個(gè)人工水草懸浮于污水中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的原位處理。活性炭水凝膠的組成成分為:29.38%丙烯酸、68.56%丙烯酰胺、0.98% N,N-雙丙烯酰胺、0.10%過(guò)硫酸銨、0.98%活性炭;二氧化硅水凝膠的組成成分為:28.82%丙烯酸、67.24%丙烯酰胺、0.96% N,N-雙丙烯酰胺、0.10%過(guò)硫酸銨、2.88%二氧化硅。水凝膠的照片如圖1所示。

圖1 水凝膠的照片

1.2試驗(yàn)方法

每天從各燒杯中取出約40mL水樣，分析主要理化指標(biāo)；同時(shí)，為了保證各燒杯中污水體積不變，每天向各燒杯中補(bǔ)充40mL磁湖污水，連續(xù)監(jiān)測(cè)7～10d。吸附試驗(yàn)結(jié)束后，將試驗(yàn)系統(tǒng)9個(gè)燒杯在汞燈下照射1h；然后與上述步驟相同，每天繼續(xù)監(jiān)測(cè)各理化指標(biāo)，連續(xù)監(jiān)測(cè)3～5d。

1.3分析指標(biāo)及測(cè)定方法

化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)等化學(xué)指標(biāo)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1水體透明度的變化

二氧化硅水凝膠人工水草系統(tǒng)和空白系統(tǒng)水體透明度的變化情況如圖2所示。從圖2中可以看出，試驗(yàn)后期空白系統(tǒng)已長(zhǎng)滿藻類，透明度較差；而布設(shè)二氧化硅水凝膠人工水草的系統(tǒng)較清澈，且隨著水凝膠質(zhì)量的增加透明度越來(lái)越好。另外，還可看到試驗(yàn)后期水凝膠的體積顯著膨脹，比表面積大，因而吸附效果好；同時(shí)，也為生物膜的附著生長(zhǎng)提供了良好的載體。

圖2 試驗(yàn)后期各裝置水體透明度的變化情況

2.2水凝膠人工水草對(duì)污染物的處理效果

2.2.1 COD的去除

2種水凝膠人工水草對(duì)磁湖污水中污染物的去除效果如圖3所示。由圖3可知，2種水凝膠人工水草對(duì)磁湖污水中COD都具有較好的去除效果，并且COD的去除率均隨著水凝膠質(zhì)量的增加而增大。從吸附平衡時(shí)間上看，活性炭水凝膠人工水草對(duì)COD吸附達(dá)到平衡需5～7 d，而二氧化硅水凝膠人工水草僅需3～4 d，可見(jiàn)二氧化硅水凝膠人工水草的吸附速率較快。2種水凝膠人工水草對(duì)污染物的吸附量如圖4所示。由圖4可知，活性炭水凝膠人工水草(C4)和二氧化硅水凝膠人工水草(S4)對(duì)COD的吸附容量分別為7.63 mgCOD/g、7.80mgCOD/g，二氧化硅水凝膠人工水草對(duì)COD的吸附容量較大。

圖3 2種水凝膠人工水草對(duì)磁湖污水中污染物的去除效果

圖4 2種水凝膠人工水草對(duì)污染物的吸附量

2.2.2 TN的去除

與COD去除規(guī)律相似，2種水凝膠人工水草對(duì)TN的去除率均較高，且隨著水凝膠質(zhì)量的增加,TN的去除率也逐漸增加。活性炭水凝膠人工水草對(duì)TN吸附達(dá)到平衡約需6 d，而二氧化硅水凝膠人工水草需4 d左右；由圖4可知，活性炭水凝膠人工水草(C4)和二氧化硅水凝膠人工水草(S4)對(duì)TN的吸附容量分別為0.63 mgTN/g、0.74 mgTN/g，可見(jiàn)無(wú)論是吸附速率還是吸附容量，二氧化硅凝膠人工水草均優(yōu)于活性炭凝膠人工水草。

2.2.3 NH4+-N的去除

由圖3可以看出，活性炭水凝膠人工水草對(duì)NH4+-N的去除存在一定的波動(dòng)，而二氧化硅水凝膠人工水草對(duì)NH4+-N的去除率較穩(wěn)定。活性炭水凝膠人工水草對(duì)NH4+-N吸附平衡的時(shí)間需要7 d，而二氧化硅水凝膠人工水草僅需3～5d；由圖4可知，活性炭水凝膠人工水草(C4)和二氧化硅水凝膠人工水草(S4)對(duì)NH4+-N的吸附容量分別為0.19 mgNH4+-N/g、0.29 mgNH4+-N/g，二氧化硅凝膠人工水草對(duì)NH4+-N的吸附容量明顯優(yōu)于活性炭凝膠人工水草，這也間接解釋了二氧化硅水凝膠人工水草對(duì)NH4+-N的去除率較穩(wěn)定的原因。

2.2.4 TP的去除

由圖3可知，在試驗(yàn)第6 d，活性炭水凝膠人工水草系統(tǒng)內(nèi)TP的濃度突然增加，這可能是活性炭水凝膠對(duì)TP吸附飽和后突然“釋放”的緣故；而二氧化硅水凝膠人工水草對(duì)TP的去除相對(duì)較穩(wěn)定。2種水凝膠人工水草對(duì)TP吸附平衡的時(shí)間均為7 d左右，這說(shuō)明2種水凝膠人工水草對(duì)TP的吸附速率相當(dāng)。由圖4可知，活性炭水凝膠人工水草(C4)和二氧化硅水凝膠人工水草(S4)對(duì)TP的吸附容量分別為0.033 mgTP/g、0.036 mgTP/g，可見(jiàn)兩者對(duì)TP的吸附容量相差不大。

2.3水凝膠人工水草對(duì)污染物的光催化降解效果

從圖3中可以看出，經(jīng)汞燈照射后，2種水凝膠人工水草對(duì)各污染物的去除率均有較大的提高。以第8 d和第13 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，活性炭水凝膠人工水草(C4)和二氧化硅水凝膠人工水草(S4)對(duì)COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分別提高了44.5%、35.2%、57.0%、46.7%和93.8%、38.5%、70.6%、72.2%，這說(shuō)明在汞燈照射下水凝膠中吸附的部分污染物被光催化降解了，使得吸附飽和的水凝膠得到了再生，從而可實(shí)現(xiàn)水凝膠人工水草的重復(fù)使用。另外，從再生的效果來(lái)看，二氧化硅水凝膠的再生能力明顯優(yōu)于活性炭水凝膠，因而選擇以二氧化硅水凝膠為載體的人工水草處理磁湖污水更適宜。

3 討論

在試驗(yàn)初期，人工水草對(duì)污染物的去除主要依賴于載體的吸附能力，因而載體的材質(zhì)、孔狀結(jié)構(gòu)等因素會(huì)直接影響污染物的去除效果。楊紅艷對(duì)4種人工水草(阿科曼生態(tài)基、超細(xì)立體纖維人工水草、細(xì)繩狀5cm人工水草、細(xì)繩狀10cm人工水草)的去污能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明細(xì)繩狀10cm人工水草對(duì)各污染物的綜合去除效果最好，它對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別為85.5%、69.8%、47.5%、67.4%[9-10]。本試驗(yàn)以第8 d監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，二氧化硅水凝膠人工水草(S4)對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別為96.0%、69.3%、91.8%、88.8%，可見(jiàn)二氧化硅水凝膠人工水草的去污能力明顯優(yōu)于以上4種人工水草，這可能是由于二氧化硅水凝膠遇水膨脹，使得微孔結(jié)構(gòu)多、比表面積大，因而對(duì)污染物的吸附能力強(qiáng)。

當(dāng)人工水草的載體吸附飽和后，存在難以重復(fù)利用的問(wèn)題，此時(shí)對(duì)污染物的去除只能依賴于載體上附著生長(zhǎng)的生物膜。然而，一些具有光催化特性水凝膠的出現(xiàn)剛好解決了這一問(wèn)題，在光催化作用下，水凝膠所吸附的污染物被氧化分解，從而使水凝膠恢復(fù)吸附能力，為人工水草載體的重復(fù)利用提供了可能性。研究表明，在紫外光照射4 h后TiO2/SiO2/γ-Fe2O3凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)(10mg/L)的降解率可達(dá)98.8%。本試驗(yàn)中二氧化硅水凝膠人工水草(S4)對(duì)COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分別為93.8%、38.5%、70.6%、72.2%，可見(jiàn)，除TN以外，其他污染物的光催化降解效果都較好。

4 結(jié)論

1)2種水凝膠人工水草對(duì)磁湖污水均有較好的凈化效果，其中二氧化硅水凝膠人工水草可顯著改善水體透明度，對(duì)污染物的吸附速率明顯快于活性炭水凝膠人工水草，并且吸附容量可達(dá)7.80mgCOD/g、0.74 mgTN/g、0.29 mgNH4+-N/g、0.036 mgTP/g。

2)經(jīng)汞燈照射后，2種水凝膠人工水草對(duì)各污染物的去除率均有較大的提高，吸附能力得到了再生,并且二氧化硅水凝膠的再生能力更優(yōu)。因此，二氧化硅水凝膠人工水草的吸附能力和再生能力均較好，可應(yīng)用于磁湖污水的原位修復(fù)。

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(責(zé)任編輯吳鴻霞)

Treatment of Polluted Water of Cihu Lake by Using Artificial Plants with Hydrogel

TaoMin1,2,HuSanrong3,LiShengfang2

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control & Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;3School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074)

Two new kinds of artificial plants made of activated carbon hydrogel (called APACH hereafter) and silica hydrogel(called APSH hereafter) were used to treat polluted water of Cihu lake.The results showed that the APSH significantly improved water clarity and adsorption rate for COD,TN,NH4+-N,TP.The adsorption capacity of APSH were up to 7.80mgCOD/g,0.74 mgTN/g,0.29 mgNH4+-N/g,0.036 mgTP/g,respectively,which was obviously better than that of APACH.Irradiated by mercury lamp,two artificial plants both greatly enhanced pollutants removal efficiency,while the APSH regenerated better.Therefore,the artificial plant with silica hydrogel could be used for in-situ remediation of polluted water of Cihu lake.

artificial plants;hydrogel;treatment performance;regenerative capacity

2013-12-30

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)Q20114401)；礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2012108)；湖北理工學(xué)院引進(jìn)人才項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)11yjz08R)。

陶敏(1982— )，男，講師，博士，研究方向：人工濕地與水體修復(fù)研究。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.007

X703.1

A

2095-4565(2014)04-0025-05