7種人工濕地填料對磷的吸附特性比較

衷從強 張巧 申秀芳 許德超 彭盛華 尹魁浩

（深圳市環(huán)境科學(xué)研究院 國家環(huán)境保護飲用水水源地管理技術(shù)重點實驗室 廣東深圳 518001）

人工濕地是人工建造的、可控制的、工程化的濕地系統(tǒng)，將自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用通過人工強化并組合起來用于污水處理[1,2]。人工濕地主要由人工基質(zhì)（填料）和水生植物組成，其通過基質(zhì)過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化。基質(zhì)是人工濕地的載體，其自身的理化特性可能影響到它對污水的處理效果，另外，在床體內(nèi)部填充多孔的、有較大比表面積的基質(zhì)，可改善濕地的水力學(xué)性能，為微生物提供更大的附著面積，增強系統(tǒng)對污染物的去

除能力。填料在濕地去除磷的過程中發(fā)揮了最主要的作用，80%以上的磷通過填料的作用去除[3-8]。

人工濕地填料主要分為天然材料、工業(yè)副產(chǎn)品和人造產(chǎn)品三大類[9-13]。目前應(yīng)用較多的基質(zhì)有河砂、礫石、爐渣、土壤、自然巖石與礦物材料等。由于工業(yè)廢渣具有成本低廉、以廢治廢的特點，應(yīng)用工業(yè)廢渣作為人工濕地填料的研究越來越多。鄭好等[14]研究了粉煤灰、鋼渣、高鐵尾礦、鐵尾礦和鐵屑對生活污水中磷的吸附性能，其中粉煤灰和鋼渣去除率最高，均能達90%以上。葉建鋒等[15]開展了靜態(tài)吸附和鋼渣人工濕地去除生活污水中磷的試驗研究，將鋼渣作為垂直潛流人工濕地基質(zhì)具有較高可行性。

本研究以活性炭、牡蠣殼、蛭石、火山巖、煤渣、鋼渣和河砂等常見的物質(zhì)為材料，以磷酸二氫鉀溶液模擬含磷廢水，研究了7種填料對模擬含磷廢水及實際生活污水中磷的去除效果，并利用準(zhǔn)二級動力學(xué)方程對其吸附除磷過程進行模擬，為人工濕地填料的選擇提供理論支撐。應(yīng)用不同粒徑鋼渣、煤渣和牡蠣殼對不同初始濃度磷溶液進行磷去除實驗，研究不同磷初始濃度、不同粒徑對鋼渣、煤渣和牡蠣殼對磷去除效果。

表1 7種材料外觀圖

1 實驗材料與方法

1.1 實驗填料及藥品

鋼渣取自河北某鋼鐵廠，活性炭、牡蠣殼、蛭石、火山巖和煤渣購自深圳銘科科技有限公司，河砂取自深圳某工地。7種材料見表1。

H2SO4、HNO3、HClO4、NaOH、K2S2O8、C6H8O6、（NH4）6Mo7O244H2O、KSbC4H4O7均為分析純(純度均>98%），KH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液購買于深圳市銘科科技有限公司。溶液配制用水均為去離子水。

1.2 實驗方法

含磷模擬廢水由磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋而成，分別稱取適量鋼渣、牡蠣殼、粉煤灰、火山巖、活性炭、沸石、煤渣和粗砂，加入到容量為250mL的錐形瓶中，搖晃混勻后迅速放置于恒溫振蕩器中，設(shè)置溫度為25℃，轉(zhuǎn)速為140r/min，振蕩一定時間后取出錐形瓶，靜置5min后，用注射器取上清液，用0.45μm醋酸纖維濾膜過濾，然后測定TP濃度，計算出各原材料對磷的吸附量。

1.3 檢測分析方法

TP測定采用鉬酸銨分光光度法，TN測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，COD采用快速消解分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.17 種填料對模擬廢水中磷的去除效果

經(jīng)25h振蕩吸附后，7種填料對模擬廢水中磷去除效果如圖1所示。在相同反應(yīng)條件下，各原材料對TP去除率大小為：鋼渣＞煤渣＞牡蠣殼＞活性炭＞（沸石，火山巖、河砂），其中，鋼渣對TP的去除率為80%，煤渣為28%，牡蠣殼為16.9%，活性炭為10.7%，沸石、火山巖和河砂對磷幾乎沒有去除效果。由此可知，鋼渣在這7種材料中對磷的去除效果明顯優(yōu)于其它6種材料，煤渣、牡蠣殼和活性炭對磷有一定的去除效果。鋼渣、煤渣、牡蠣殼和活性炭對磷的去除速率隨著反應(yīng)時間的增加而減小，表明鋼渣、煤渣、牡蠣殼和活性炭對磷的吸附在反應(yīng)前期會更活躍。張修穩(wěn)[16]等對火山石、無煙煤、高爐渣、活性炭和沸石的除磷效果進行研究，得出火山石、無煙煤、高爐渣、活性炭和沸石對磷的去除速率隨著反應(yīng)時間的增加而減小。

圖1 7種填料對模擬廢水中磷去除率隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系

2.27 種填料對實際生活污水中磷的去除效果

為研究7種填料對實際生活污水的去除效果，取課題研究基地附近甘坑客家小鎮(zhèn)生活污水作為實驗廢水，并對水質(zhì)指標(biāo)進行檢測。甘坑客家小鎮(zhèn)生活污水水質(zhì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 甘坑客家小鎮(zhèn)生活污水水質(zhì)數(shù)據(jù)

活性炭在對實際廢水中磷吸附過程中有較大析出，在本實驗中對其不考慮。6種填料對實際生活污水中TP去除效果如圖2所示。反應(yīng)24h后，6種填料對磷的去除率大小為：鋼渣＞煤渣＞牡蠣殼＞火山巖＞河砂＞沸石。當(dāng)中，鋼渣、煤渣、牡蠣殼、火山巖、河砂和沸石對實際生活污水中的磷去除率分別為35.7%、13%、7%、5%、4%和2%。實驗結(jié)果表明鋼渣對實際生活污水中磷去除效果最好。相對于模擬廢水，鋼渣、煤渣、牡蠣殼對實際生活污水中磷去除率下降較大，這可能是由于實際廢水中磷的形態(tài)較為復(fù)雜，且實際生活污水中含多種其它物質(zhì)，對填料吸附磷的過程可能產(chǎn)生競爭作用或抑制作用。填料是人工濕地系統(tǒng)中除磷的主要部分，通過以上兩組實驗得出，鋼渣、煤渣和牡蠣殼對磷的去除效果最好，故選取鋼渣、煤渣和牡蠣殼作為人工濕地填料的材料來源，并對其吸附除磷的其它主要影響因素進行研究。

圖2 7種填料對實際生活污水中磷去除率隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系

2.3 填料對磷的吸附動力學(xué)

為了進一步研究7種填料對模擬廢水中磷的吸附機理，采用準(zhǔn)二級動力學(xué)方程對7種填料進行吸附動力學(xué)擬合，結(jié)果見表3。由表3可知，7種填料對磷的吸附過程符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程，其相關(guān)系數(shù)均在0.900以上。

表3 7種填料對磷的吸附動力學(xué)擬合參數(shù)

2.4 不同初始磷濃度下鋼渣、煤渣、牡蠣殼對磷的去除效果

為研究不同初始濃度下鋼渣、煤渣和牡蠣殼對磷去除率的影響，配制初始磷濃度分別為1mg/L、5mg/L、10mg/L和20mg/L模擬廢水，采用1.3方法進行實驗。鋼渣、煤渣和牡蠣殼對不同初始濃度溶液中磷的去除效果如圖3所示。在相同反應(yīng)條件下，鋼渣、煤渣和牡蠣殼對不同初始濃度溶液中磷的去除率呈現(xiàn)相同規(guī)律，即：1mg/L＞5mg/L＞10mg/L＞20mg/L。反應(yīng) 25h后，鋼渣、煤渣和牡蠣殼對初始濃度為1、5、10、20mg/L的磷溶液中磷去除率分別為 100%、83.1%、80%、54.4%，65%、39%、28%、4.5%和 30%、20%、16.9%、14%。由此可知，鋼渣、煤渣和牡蠣殼對TP的去除效果隨初始磷濃度的提高而降低。

圖3 不同初始磷濃度對填料去除磷的影響（a鋼渣b煤渣c牡蠣殼）

2.5 不同粒徑填料對磷的去除效果

為研究填料粒徑對磷去除效果的影響，選用4～8目（0.236cm～0.475cm）、8～18目（0.088cm～0.236cm）和36～160目（0.088cm～0.0425cm）四組粒徑材料作為研究對象，以磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液配制含磷模擬廢水。不同粒徑的鋼渣、煤渣和牡蠣殼對磷去除率隨反應(yīng)時間的變化如圖4所示。鋼渣、煤渣和牡蠣殼對含磷模擬廢水中磷的去除率均隨填料粒徑的增大而降低。填料粒徑越小，其比表面積越大，與廢水中磷接觸的機會更多，更有利于填料與磷發(fā)生吸附作用。反應(yīng)26h后，4～8目、8～18目、18～36目和36～160目鋼渣、煤渣和牡蠣殼對磷的去除率分別為：53.0%、80.0%、85%、91.4%，8%、28%、38%、67.8%和15%、17%、21.7%、34.3%。不同粒徑的三種填料中，鋼渣對磷的去除效率均最高。其中，8～18目、18～36目和36～160目鋼渣對磷的去除效果均較好，且去除率較接近，明顯高于4～8目鋼渣對磷的去除率。36～160目煤渣對磷的去除率明顯高于其它粒徑的煤渣，8～18目和18～36目煤渣對磷去除率較接近。36～160目牡蠣殼對磷的去除率明顯高于其它粒徑的牡蠣殼，4～8目和8～18目牡蠣殼對磷去除率較接近。XiangyongZheng,et.al[17]研究了高嶺土和紅土在不同粒徑范圍下對P的吸附特性，結(jié)果表明填料對P的去除率隨粒徑的變小而提高。

圖4 不同粒徑對磷去除效果的影響（a鋼渣b煤渣c牡蠣殼）

3 結(jié)語

3.1 活性炭、牡蠣殼、蛭石、火山巖、煤渣、鋼渣和河砂7種人工濕地填料對模擬廢水中磷的磷去除率大小為：鋼渣＞煤渣＞牡蠣殼＞活性炭＞（沸石，火山巖、河砂）。各材料對實際廢水中磷的去除率低于對模擬廢水中磷的去除率，當(dāng)中，鋼渣、煤渣和活性炭對模擬廢水、實際廢水中磷的去除率分別為80%、28%、16.9和35.7%、13%、7%。

3.27種材料對模擬廢水中磷的去除過程均符合準(zhǔn)二級動力學(xué)關(guān)系。選擇鋼渣、煤渣和牡蠣殼作為人工濕地備選材料，在不同初始磷濃度、不同粒徑下研究鋼渣、煤渣和牡蠣殼對磷的去除效果，結(jié)果表明，鋼渣、煤渣和牡蠣殼對磷的去除率隨初始磷濃度和材料粒徑的增大而減小。

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