粘土礦物和水生植物復(fù)合修復(fù)河道廢水的實驗研究

沙昊雷，申屠一枝，劉超林，沈家辰，何 凡

(浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100)

1 前 言

隨著全球城市化和工業(yè)化的加速，大量污廢水排入河流，對自然河道水體產(chǎn)生了嚴重的污染[1～3]。我國在城市化、工業(yè)化和城鄉(xiāng)一體化的快速進程中也帶來了一些環(huán)境問題，企業(yè)無序擴張，人口大量集聚，企業(yè)違規(guī)亂排和餐飲服務(wù)行業(yè)管理不規(guī)范等現(xiàn)象嚴重，隨意將工業(yè)廢水和生活污水排入河流，油脂類、蛋白類、淀粉和重金屬類污染物大量出現(xiàn)在河流之中[2～4]，最后導(dǎo)致河流的自凈能力下降，多數(shù)河流的COD、TP、NH3-N濃度已經(jīng)達不到相應(yīng)的水功能區(qū)要求的限值，并逐漸引起了水環(huán)境生態(tài)的破壞。治理和改善這些河流的污染現(xiàn)狀已經(jīng)是城市建設(shè)過程中的當務(wù)之急，相比于傳統(tǒng)的河道治理技術(shù)清淤、換水等方式，當前應(yīng)用比較廣泛的是通過水生態(tài)修復(fù)模式來治理受污染的河道廢水[4～8]。

水生態(tài)修復(fù)是就指通過各種保護或修復(fù)技術(shù)，最大限度地減緩水生態(tài)系統(tǒng)的退化，并將其恢復(fù)或修復(fù)到能長期自我維持的、穩(wěn)定的狀態(tài)[9～11]。根據(jù)受污染的水體修復(fù)技術(shù)的治理手段劃分為化學(xué)處理、物理處理、生物修復(fù)和人工浮島技術(shù)等[12～16]。粘土礦物和水生植物組合應(yīng)用于河水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域是一個較新的課題，鮮見相關(guān)報道。本實驗篩選出7種粘土礦物作為生態(tài)浮島基質(zhì)，組合搭配水生植物構(gòu)建復(fù)合體系聯(lián)合修復(fù)河道廢水，試圖從中選擇出具有良好吸附特性的浮島基質(zhì)和水生植物，為人工浮島技術(shù)尋找最佳組合。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

本實驗選取的粘土礦物為麥飯石、火山石、陶瓷生物環(huán)、珊瑚砂、細菌環(huán)、活性炭、吸氨沸石。本實驗選取的水生植物為富貴竹和綠蘿。實驗水樣為人工配置模擬河道廢水。

2.2 實驗方法

2.2.1 實驗一

稱取每種粘土礦物10g加入到裝有模擬河道廢水的250mL錐形瓶中。在恒溫震蕩箱中常溫震蕩15min、30min、60min后分別取上層清液測定TP、COD、氨氮濃度。由此初步測定出粘土礦物對污染物的短期吸附去除能力。實驗水樣初始COD濃度值為312 mg/L、TP濃度值為0.55mg/L、氨氮濃度值為4.7 mg/L、pH值為5.28，DO值為7.44 mg/L。本次實驗結(jié)果中污染物被吸附后的變化數(shù)據(jù)均為三次平行實驗后的平均值。

2.2.2 實驗二

在容積為40L的方型塑料箱中裝入30L廢水，用打孔的泡沫塑料作為漂浮的載體固定植物，實驗水樣為模擬河道廢水，由于不在同期進行的實驗，與實驗一配置廢水水質(zhì)有所差異，水樣初始濃度值將在結(jié)果與討論中詳細列出。實驗分為2組：1#為空白對照組(不加植物和粘土礦物，只曝氣)，2#加入2株富貴竹，6株綠蘿，混合粘土礦物(各100g)，同時進行曝氣，均都放置在向陽的實驗室內(nèi)，保持采光通風(fēng)條件一致。實驗期間每天測定1#、2#內(nèi)實驗水樣的COD、TP、氨氮濃度，實驗共進行18天，考察粘土礦物和水生植物對廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的復(fù)合脫除效果。實驗裝置如圖1、圖2所示。

2.3 分析方法

按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》，TP采用鉬酸銨分光光度法；氨氮采用水楊酸分光光度法；COD采用重鉻酸鉀法；pH的測定使用德國WTW公司制造的便攜式pH測定儀；DO的測定使用意大利HANNA公司生產(chǎn)的便攜式DO測定儀。

圖1 空白對照組Fig.1 Blank control group

圖2 實驗組Fig.2 Experimental group

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

實驗數(shù)據(jù)采用EXCEL 2007統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理。污水中污染物的去除率計算公式，即：去除率(%)=(C0-Ci)/C0× 100%

注：其中C0——初始濃度；

Ci——第i天的濃度。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 粘土礦物對廢水中COD的吸附效果

實驗水樣采用模擬河道廢水，初始COD濃度值為312 mg/L。實驗考察了粘土礦物對廢水中COD的吸附效果，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，這7種粘土礦物在前15min對COD的吸附速率是最快的，在15～30min階段吸附速率開始下降，在30～60min階段，COD的濃度基本不發(fā)生變化?？梢娺@7種材料對COD吸附速率呈逐漸下降趨勢，并在30min后吸附速度就基本為0，即7種粘土礦物在實驗前30min就對廢水中COD達到吸附飽和。從圖中單個材料的吸附趨勢線可以看出火山石對COD吸附效果最好，在實驗時間內(nèi)COD下降了101.64mg/L，去除率達32.6%。吸氨沸石對COD吸附效果最差的，在實驗時間內(nèi)COD下降了34.67mg/L，去除率為11.1%。

圖3 7種粘土礦物對COD的吸附效果Fig.3 Adsorption effect of seven kinds of clay minerals on COD

3.2 粘土礦物對廢水中TP的吸附效果

實驗水樣采用模擬河道廢水，初始TP濃度值為0.55mg/L。實驗考察了粘土礦物對廢水中TP的吸附效果，結(jié)果見圖4。

圖4 7種粘土礦物對TP的吸附效果Fig.4 Adsorption effect of seven kinds clay of minerals on TP

由圖4可知，這7種粘土礦物在前15min對TP的吸附速率是最快的，在15～30min階段吸附效率開始下降，在30～60min階段，TP的濃度基本不發(fā)生變化?？梢娺@7種材料對TP的吸附速率呈逐漸下降趨勢，并在30min后吸附速度就基本為0，即7種粘土礦物在實驗的前30min就對廢水中TP達到吸附飽和。從圖中的單個材料的吸附趨勢線可以看出麥飯石對TP吸附效果最差，在實驗時間內(nèi)TP下降了0.029mg/L，去除率為5.3%；活性炭對TP吸附效果最好的，在實驗時間內(nèi) TP下降了0.326mg/L，去除率達59.4%。

3.3 粘土礦物對廢水中氨氮的吸附效果

實驗水樣采用模擬河道廢水，初始氨氮濃度值為4.7 mg/L。實驗考察了粘土礦物對廢水中氨氮的吸附效果，結(jié)果見圖5。

圖5 7種粘土礦物對氨氮的吸附效果Fig.5 Adsorption effect of seven kinds of clay minerals on ammonia nitrogen

由圖5可知，這7種粘土礦物在前15min對氨氮的吸附速率是最快的，在15～30min階段吸附速率開始下降，在30～60min階段，氨氮的濃度基本不發(fā)生變化。7種粘土礦物對氨氮的吸附規(guī)律基本類似于吸附COD和TP。從圖中單個材料的吸附趨勢線可以看出細菌環(huán)對氨氮吸附效果最好，在實驗時間內(nèi)氨氮下降了2.66mg/L，去除率達到56.6%；活性炭對氨氮的吸附效果最差，在實驗時間內(nèi)氨氮下降了0.47mg/L，去除率為10%。

3.4 粘土礦物和水生植物對廢水中COD的復(fù)合脫除

實驗?zāi)M河道廢水的初始濃度詳見下表。1#裝置為空白對照組(不加植物和粘土礦物)，2#裝置為粘土礦物(每種粘土礦物均100 g)和混合水生植物，實驗方法詳見1.2實驗方法中的實驗二。粘土礦物和水生植物復(fù)合脫除模擬河道廢水中COD的效果詳見圖6。

表 實驗?zāi)M河道廢水的初始濃度Tab. Initial concentration of simulated river wastewater

圖6 復(fù)合脫除廢水中COD的效果Fig.6 The effect of two groups of compound on the removal of COD in wastewater

從圖6中可知，2#裝置中的實驗廢水在混合粘土礦物和水生植物共同作用下COD去除率不斷上升，并且在第6天下降到30mg/L，去除率為92.5%，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)的IV類標準。在第7～8天，COD濃度基本保持在30mg/L以下，去除率也穩(wěn)定在92.5%以上，即在第6天就可達到吸附飽和。而1#裝置中的實驗廢水只在曝氣條件下進行的對照實驗，第8天COD濃度為358 mg/L，總?cè)ヌ幚砺蕿?0.5%。

為了更好的研究粘土礦物和水生植物對廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的復(fù)合脫除效果，在實驗的第9天對該實驗廢水加入了10g葡萄糖，2#裝置中廢水COD增加至168mg/L，在第10～16天，COD去除率不斷上升，達到80%以上，并且在第16天去除率開始穩(wěn)定，即在加入營養(yǎng)物質(zhì)后第6天達到吸附飽和。而1#裝置中的實驗廢水在第18天COD濃度為485 mg/L，總?cè)ヌ幚砺蕿?1.5%，去除原因是由于曝氣分解和實驗裝置壁上的少量吸附所致[17]。

3.5 粘土礦物和水生植物對廢水中TP的復(fù)合脫除

實驗裝置1#為空白對照組，2#裝置為粘土礦物和混合水生植物，實驗方法詳見1.2實驗方法中的實驗二。粘土礦物和水生植物復(fù)合脫除模擬河道廢水中TP的效果詳見圖7。

圖7 復(fù)合脫除廢水中TP的效果Fig.7 The effect of two groups of compound on the removal of TP in wastewater

從圖7中可知，2#裝置中的實驗廢水在混合粘土礦物和水生植物共同作用下TP去除率不斷上升，并且在第7天下降到0.2 mg/L以下，去除率為63.6%，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)的V類標準。而1#裝置中第8天TP濃度為0.51 mg/L，總?cè)ヌ幚砺蕿?.3%。為了更好的研究粘土礦物和水生植物對廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的復(fù)合脫除效果，在實驗的第9天對該實驗廢水加入了0.4g磷酸二氫鉀，2#裝置中廢水TP增加至0.79 mg/L，在第10～18天，TP去除率不斷上升，并且在第18天去除率達到66%以上，而1#裝置中的實驗廢水在第18天TP濃度為1.04 mg/L，總?cè)ヌ幚砺蕛H為7.1%，去除原因是由于曝氣分解和實驗裝置壁上的少量吸附所致。

3.6 粘土礦物和水生植物對廢水中氨氮的復(fù)合脫除

實驗裝置1#為空白對照組，2#裝置為粘土礦物和混合水生植物，實驗方法詳見1.2實驗方法中的實驗二。粘土礦物和水生植物復(fù)合脫除模擬河道廢水中氨氮的效果詳見圖8。

圖8 復(fù)合脫除廢水中氨氮的效果Fig.8 The effect of two groups of compound on the removal of ammonia nitrogen in wastewater

從圖8中可知，2#裝置中的實驗廢水在混合粘土礦物和水生植物共同作用下氨氮去除率不斷上升，并且在第6天下降到0.5 mg/L以下，去除率為97%，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)的Ⅱ類標準。在第7～8天，氨氮濃度已經(jīng)低于檢測限，去除率穩(wěn)定在100%。而1#裝置中第8天氨氮濃度為12.5 mg/L，總?cè)ヌ幚砺蕿?.0%。

為了更好的研究粘土礦物和水生植物對廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的復(fù)合脫除效果，在實驗的第9天對該實驗廢水加入了0.8g氯化銨，2#裝置中廢水氨氮增加至8.9 mg/L，在第10～14天，氨氮去除率不斷上升，并且在第14天去除率達到100%，而1#裝置中的實驗廢水在第18天氨氮濃度為18.8 mg/L，總?cè)ヌ幚砺蕛H為5.3 %，去除原因是由于曝氣分解和實驗裝置壁上的少量吸附所致。

4 結(jié) 論

4.1 使用7種粘土礦物行廢水處理實驗時，經(jīng)過60min的離心震蕩凈化，各粘土礦物對廢水中COD、TP、氨氮均有較好的處理效果?；钚蕴繉P的去除率最高，達到了59.4%；細菌環(huán)對氨氮的去除率最高，達到了56%；火山石對COD的去除率最高，為32.6%。

4.2 粘土礦物混合后和水生植物對河道廢水進行了18天復(fù)合脫除實驗，通過空白對照，粘土礦物和水生植物的組合對廢水中TP，氨氮，COD都有較好的去除效果。其中對氨氮的去除率甚至達到了100%，對COD的去除率達到了80%，對TP的去除率也達到了66%以上。因此粘土礦物和水生植物對廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的復(fù)合脫除效果是十分有效的。

根據(jù)已有的研究和實踐經(jīng)驗表明，人工生態(tài)浮島技術(shù)具有提供生境、凈化水質(zhì)、消浪護岸、改善景觀的作用。在實際運用中，可以根據(jù)需要處理的水體實際問題，選擇效果最佳的組合(選擇最佳的粘土礦物為人工浮島基質(zhì)并搭配相應(yīng)效果的水生植物)，對水體進行復(fù)合生態(tài)修復(fù)。