4種生物滯留填料對徑流污染凈化效果對比

劉增超，李家科，蔣春博，羅陶然，陳夢杰

(1.省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安理工大學(xué))，陜西 西安 710048；2.西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西 西安 710021)

生物滯留技術(shù)是當(dāng)前我國海綿城市建設(shè)中常用技術(shù)之一[1-2]，在雨水徑流污染控制、地下水回補(bǔ)及景觀生態(tài)方面作用顯著[3]。就凈化機(jī)理而言，主要是通過填料、植物和微生物三者之間的復(fù)雜物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對徑流污染的凈化[4]。在生物滯留系統(tǒng)中，填料的作用是影響凈化效果的關(guān)鍵，一方面填料可為微生物提供附著表面，另一方面填料還有吸附、離子交換等作用，使得徑流污染物得以凈化[5]。傳統(tǒng)的生物滯留填料常以沙、土為基質(zhì)，其對徑流中主要污染物濃度去除率約為40%[6]?？紤]到污染凈化的同時(shí)，還應(yīng)使系統(tǒng)保持良好的滲透性能及保水性能，現(xiàn)常在系統(tǒng)中添加一些比表面積大、吸附能力強(qiáng)、通透性好的介質(zhì)作為特殊填料，如腐殖質(zhì)、木屑、樹皮等有機(jī)介質(zhì)[7-9]，以及沸石、珍珠巖、蛭石、高爐渣、粉煤灰等吸附性礦物介質(zhì)[10-12]。如馬里蘭州推薦約50%的沙、30%的土、20%的有機(jī)質(zhì)組成混合填料[7]，北卡羅萊州則推薦在填料中加入3%～5%的有機(jī)質(zhì)[8]，而澳洲莫納什大學(xué)生物滯留技術(shù)推廣協(xié)會(huì)則推薦在填料系統(tǒng)添加10%～20%的礦物質(zhì)[12]以提高填料的凈化性能。鑒于加入過多的有機(jī)質(zhì)將造成COD、氮、磷等物質(zhì)的溶淋現(xiàn)象[13]，進(jìn)而影響污染物凈化效果，本研究在生物滯留系統(tǒng)中添加無機(jī)吸附性物質(zhì)，將沸石、活性炭、珍珠巖、蛭石等吸附劑作為特殊填料；同時(shí)以西安城區(qū)典型道路徑流水質(zhì)為基礎(chǔ)，通過靜態(tài)搖床吸附試驗(yàn)和等溫吸附擬合篩選出一兩種吸附能力較強(qiáng)的特殊填料；再將優(yōu)選出的填料與沙土按一定比例混合開展一次小試試驗(yàn)，模擬生物滯留系統(tǒng)對降雨徑流的綜合凈化效果，以期為生物滯留系統(tǒng)特殊填料選配提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

試驗(yàn)用土取自西安理工大學(xué)校園未開發(fā)的空地處，沙子取自該校周邊某施工工地，以上材料均經(jīng)自然風(fēng)干備用；天然綠沸石(粒徑2～4 mm)、珍珠巖(粒徑3～5 mm)和蛭石(粒徑3～6 mm)等特殊填料購自河南信陽某園藝廠，活性炭(粒徑1～3 mm)購自江蘇泰州某環(huán)保材料公司，以上特殊填料使用前先在110℃下烘干2 h備用。

實(shí)驗(yàn)儀器主要有NS4型紫外分光光度計(jì)、5B-1型化學(xué)需氧量快速消解儀、SHA-B型恒溫振蕩器、BT300-2J型蠕動(dòng)泵等。

1.2 靜態(tài)吸附試驗(yàn)

Q=(ρ-ρt)V/m

(1)

式中：Q為填料對污染物的吸附量，mg/g；ρ為溶液初始質(zhì)量濃度，mg/L；ρt為t時(shí)刻溶液質(zhì)量濃度，mg/L；V為試樣體積，L；m為填料質(zhì)量，g。

1.3 等溫吸附模型

恒溫條件下固體表面吸附現(xiàn)象，常用朗格繆爾(Langmuir)和弗蘭德里希(Freundlich)等溫吸附方程來表示吸附量和介質(zhì)中溶質(zhì)平衡濃度間的關(guān)系[16-17]。Langmuir及Freundlich吸附方程為

(2)

(3)

式中：Qe為平衡吸附量， mg/g；ρe為吸附飽和時(shí)的質(zhì)量濃度， mg/L;a為反映填料的吸附能力的常數(shù)；b為填料對污染物的理論最大吸附量， mg/g；c為填料對污染物的吸附強(qiáng)度；d為弗雷德利希常數(shù)，反映填料的吸附性能。

1.4 小試試驗(yàn)

將靜態(tài)吸附試驗(yàn)優(yōu)選出的填料與沙土按比例混勻并填入自制的生物滯留槽小試裝置中，模擬徑流參照西安市典型中小降雨的雨量及徑流水質(zhì)，小試裝置從上至下依次為植被層、土壤及填料混合層、蓄水模塊層，在裝置底部的蓄水模塊內(nèi)取樣分析其負(fù)荷削減率，驗(yàn)證填料對污染物的實(shí)際凈化效果。生物滯留裝置對徑流污染物凈化率RC及污染負(fù)荷削減率RQ計(jì)算公式為

(4)

(5)

式中：Vin、Vout分別為入流及出流總水量，m3；ρin、ρout分別為入流及出流污染物平均質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)吸附試驗(yàn)結(jié)果分析

b. TN吸附試驗(yàn)。圖2為4種填料對模擬徑流中TN的等溫吸附曲線。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)TN初始質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí)，分別測得各填料對TN的平衡吸附量：活性炭為0.813 mg/g，綠沸石為0.972 mg/g，珍珠巖為0.675 mg/g，蛭石為0.783 mg/g。

(a) 活性炭

(b) 綠沸石

(c) 珍珠巖

(d) 蛭石圖1 4種填料對的等溫吸附曲線

(a) 活性炭

(b) 綠沸石

(c) 珍珠巖

(d) 蛭石圖2 4種填料對TN的等溫吸附曲線

從平衡吸附量看出沸石對TN的吸附性能明顯優(yōu)于其他填料，這與張美蘭等[23-24]的研究成果相一致。

c. TP吸附試驗(yàn)。圖3為4種填料對模擬徑流中TP的等溫吸附曲線。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)TP初始質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí)，分別測得各填料對TP的平衡吸附量：活性炭為0.024 mg/g，綠沸石為0.032 mg/g，珍珠巖為0.028 mg/g，蛭石為0.022 mg/g。沸石對磷具有較好的吸附性能，一方面是其具有較強(qiáng)的吸附能力，另一方面是因?yàn)槠浜休^多的Ca、Fe、Al等金屬離子，可以與水中的磷酸根發(fā)生沉淀反應(yīng)[16，25]，從而強(qiáng)化了對磷的吸附性能。珍珠巖具有無數(shù)不規(guī)則氣孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)的白色顆粒，具有一定的吸附性[26]，其自身含有一定量的鋁、鐵、鈣、鎂等化學(xué)除磷成分[27-28]，故也表現(xiàn)出較好的除磷效果。

(a) 活性炭

(b) 綠沸石

(c) 珍珠巖

(d) 蛭石圖3 4種填料對TP的等溫吸附曲線

d. COD吸附試驗(yàn)。圖4為4種填料對模擬徑流中COD的等溫吸附曲線。從試驗(yàn)結(jié)果可知，各填料對COD的吸附也存在著吸附量隨溶液濃度增大而增長的趨勢，約12～15 h后基本達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。當(dāng)COD初始質(zhì)量濃度為150 mg/L時(shí)，分別測得各填料對COD的平衡吸附量：活性炭為2.330 mg/g，綠沸石為1.730 mg/g，珍珠巖為1.478 mg/g，蛭石為1.738 mg/g?；钚蕴康谋缺砻娣e大，微孔結(jié)構(gòu)很豐富，且其表面有較豐富的含氧官能團(tuán)，因此對水相中的有機(jī)物具有良好的吸附性能[29-31]。而蛭石結(jié)構(gòu)中存有活性羥基、氧化與還原點(diǎn)等活性中心，可通過電子結(jié)合、極性吸附、配位結(jié)合以及羥基縮合等形式與某些有機(jī)物反應(yīng)[32-33]，所以在有機(jī)物吸附方面，活性炭及蛭石表現(xiàn)出較好的有機(jī)物凈化性能。

(a) 活性炭

(c) 珍珠巖

(d) 蛭石圖4 4種填料對COD的等溫吸附曲線

從圖1至圖4還可以看出兩種趨勢：一是吸附時(shí)間越長，填料對污染物的吸附作用越充分，吸附過程進(jìn)行至12～15 h后，吸附過程趨于平衡狀態(tài)；二是隨著污染物初始質(zhì)量濃度的增加，填料的平衡吸附量有所增大，這是由于污染物初始質(zhì)量濃度越大，填料顆粒周圍污染物濃度梯度越大，單位吸附劑可接納的吸附質(zhì)越多，因而隨污染物初始質(zhì)量濃度的增大，填料對污染物的吸附量越大[14]。

2.2 等溫吸附曲線擬合

等溫吸附曲線能反映不同平衡濃度下吸附劑的最大吸附量。最大吸附量可初步反映填料的凈化能力，是生物滯留設(shè)施填料選擇時(shí)考慮的重要依據(jù)之一[34-35]。

表等溫吸附方程及相關(guān)參數(shù)

表2 TN等溫吸附方程及相關(guān)參數(shù)

表3 TP等溫吸附方程及相關(guān)參數(shù)

b. TN等溫吸附曲線擬合。表2為4種填料對TN的等溫吸附曲線擬合結(jié)果及相關(guān)參數(shù)，從擬合數(shù)據(jù)來看，活性炭、綠沸石對TN的等溫吸附曲線均可用Langmuir和Freundlich方程擬合，其R2>0.90；而珍珠巖及蛭石對TN的等溫吸附更符合Langmuir方程。從Langmuir方程擬合結(jié)果可知，填料對TN理論吸附量從大到小順序?yàn)椋壕G沸石(4.246 3 mg/g)，活性炭(2.705 6 mg/g)，珍珠巖(1.664 4 mg/g)，蛭石(1.350 4 mg/g)，所以在凈化TN方面，綠沸石和活性炭可優(yōu)先考慮。

c. TP等溫吸附曲線擬合。表3為TP的等溫吸附曲線擬合結(jié)果。從表3可見，4種填料對TP的等溫吸附曲線均可用Langmuir方程進(jìn)行擬合；其中活性炭對TP的等溫吸附也可采用Freundlich方程進(jìn)行擬合。從Langmuir方程擬合結(jié)果可知，各填料對TP理論吸附量從大到小順序?yàn)椋壕G沸石(0.102 1 mg/g)，珍珠巖(0.074 0 mg/g)，活性炭(0.039 4 mg/g)，蛭石(0.039 3 mg/g)。故在凈化TP方面綠沸石可作為生物滯留設(shè)施的理想填料，此外珍珠巖對TP也有較好的吸附性能，也可加以考慮。

d. COD等溫吸附曲線擬合。從表4可以看出，活性炭、珍珠巖、蛭石3種填料對COD的等溫吸附曲線既可采用Langmuir方程也可采用Freundlich方程進(jìn)行擬合，而綠沸石更適宜采用Langmuir方程進(jìn)行擬合。從Langmuir方程擬合結(jié)果可知，填料對COD的理論吸附量從大到小順序?yàn)椋夯钚蕴?6.891 8 mg/g)，蛭石(3.046 9 mg/g)，綠沸石(2.880 2 mg/g)，珍珠巖(2.855 5 mg/g)。從吸附有機(jī)污染物角度看，活性炭可作為較理想的生物滯留填料。

表4 COD等溫吸附方程及相關(guān)參數(shù)

表5 小試試驗(yàn)結(jié)果

2.3 小試結(jié)果及分析

自制小試裝置高100 cm，長60 cm，寬30 cm，由上至下依次為10 cm表面蓄水層，60 cm混合填料層(表面種有麥冬草)、5 cm中砂過濾層、25 cm蓄水模塊層，填料以下各層之間以透水土工布隔開，特殊填料選用靜態(tài)試驗(yàn)中吸附性能較好的綠沸石及活性炭兩種。土、沙使用前晾干備用，特殊填料使用前烘干備用；1號裝置混合填料層采用V綠沸石∶V沙∶V土=1∶1∶3 進(jìn)行充填，2號裝置采用V活性炭∶V沙∶V土=1∶1∶3進(jìn)行充填。由于試驗(yàn)用土取自校內(nèi)空地，無農(nóng)業(yè)面源污染，故在小試前7 d僅將約60 L清水在2 h內(nèi)泵入裝置內(nèi)以對填料層潤洗一遍，以降低填料層溶出物的干擾。

小試試驗(yàn)進(jìn)水一次，模擬雨強(qiáng)采用西安地區(qū)2年一遇120 min降雨[36]計(jì)算獲得，裝置匯流比取1∶10[37]，參考西安地區(qū)降雨徑流水質(zhì)[38-39]配置含4種污染物的模擬廢水，采用蠕動(dòng)泵恒速泵入裝置內(nèi)，出水樣品采自裝置底部蓄水模塊中的混合液。各污染物的濃度及相關(guān)水量數(shù)據(jù)見表5。

3 結(jié) 論

通過活性炭、綠沸石、珍珠巖和蛭石4種填料對不同初始質(zhì)量濃度的模擬廢水進(jìn)行靜態(tài)吸附試驗(yàn)研究，并進(jìn)行Langmuir型和Freundlich型等溫吸附方程擬合，篩選出吸附量較大、污染物去除效率較高的特殊填料，再將其與沙土混合進(jìn)行小試試驗(yàn)，驗(yàn)證填料的實(shí)際凈化效果。

本研究僅考慮了填料的吸附性能，尚未開展填料的脫附性能及吸附動(dòng)力學(xué)研究。此外，特殊填料的粒徑級配與充填方式、混合填料層污染物淋失效應(yīng)對水質(zhì)凈化效果的影響在今后的研究中也需加以考慮。

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