生態(tài)浮床基質(zhì)吸附除磷脫氮性能研究

劉韶華

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

生態(tài)浮床不僅能凈化水質(zhì)，而且具有較好的景觀效果，但現(xiàn)行浮床技術(shù)主要依賴植物對(duì)氮、磷等污染物凈化，其凈化效果受氣候和植物生長(zhǎng)周期的影響較大[1]?；|(zhì)作為生態(tài)浮床的重要組成部分，能夠?yàn)橹参锷L(zhǎng)提供養(yǎng)分，同時(shí)自身對(duì)水體中的氮、磷也具有較強(qiáng)的吸附作用[2]。因此，探尋具備強(qiáng)效凈化功能的浮床基質(zhì)逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，常雅軍等[3]研究表明，復(fù)合基質(zhì)對(duì)池塘富營(yíng)養(yǎng)化水和城市生活污水中總磷的去除率分別高達(dá)76.6%和77.7%；汪銀梅等[4]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)差異對(duì)組合式生態(tài)浮床的脫氮效果具有顯著影響；張寒雨等[5]研究表明在生態(tài)浮床中增加基質(zhì)對(duì)提高植物生理生化特性和營(yíng)養(yǎng)鹽的去除具有良好的效果。本文以撫順市社河濕地為依托，分析考察了牡蠣殼及其改性牡蠣殼、竹粉生物炭、木粉生物炭、活性炭、蛭石和污泥炭基質(zhì)對(duì)總磷、氨氮的吸附特性，以及不同基質(zhì)組合的綜合去除效果，并對(duì)基質(zhì)吸附機(jī)理討論，以期為組合生態(tài)浮床研發(fā)提供理論支持，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 基質(zhì)的選擇

以固廢源(污泥炭)、礦物源(蛭石)、植物源(竹粉生物炭、木粉生物炭、活性炭)和動(dòng)物源(牡蠣殼及其改性牡蠣殼)作為浮床基質(zhì)。牡蠣殼含有具有較強(qiáng)的吸附能力，能夠很好吸附去除工業(yè)污水和城市生活污水中的重金屬、氮、磷等污染物，而諸多實(shí)驗(yàn)證明在高溫煅燒下，牡蠣殼除磷效果較好。蛭石具有較好的吸附性能和離子交換能力，常被用作填料，彌補(bǔ)微生物和植物在交替季節(jié)處理效果不足的情況[6- 7]。

1.2 基質(zhì)的制備

用去離子水將牡蠣殼用反復(fù)洗凈，110℃下烘干后研磨，分別于250℃、500℃、650℃溫度下熱解60min改性。污泥炭、活性炭、蛭石過(guò)100目篩后，置于干燥器內(nèi)備用。將竹粉、木粉原料置于電解爐中自然升溫至550℃熱解180min后，得竹粉生物炭與木粉生物炭。

1.3 吸附劑投加量影響實(shí)驗(yàn)

取150mL錐形瓶，分別投加不同基質(zhì)0.1～1.0g，并加入50mL不同濃度溶液(磷濃度為10、20、30mg/L；氨氮濃度為10、20、30mg/L)，25℃下恒溫震蕩120min后取樣?？偭?、氨氮的平衡吸附量和去除率計(jì)算公式為[8- 9]：

(1)

(2)

式中，m—投加吸附，g；C0—原溶液濃度，mg/L；Cm—不同投加量m吸附后的溶液濃度，mg/L；V—吸附溶液的體積，L；R—去除率，%；Qm—不同投加量m下的吸附量，mg/kg。

2 基質(zhì)吸附除磷脫氮性能分析

2.1 基質(zhì)投加量對(duì)除磷吸附效果影響研究

(1)在濃度為10、20、30mg/L的磷溶液中，改性牡蠣殼及原牡蠣殼對(duì)總磷去除效果變化曲線，如圖1所示。可以看出，磷溶液濃度為10mg/L時(shí)，4種牡蠣殼總磷去除率隨著投加量的增加不斷升高，而吸附量總體呈明顯的下降趨勢(shì)。對(duì)比不同改性的牡蠣殼可知，隨著鍛燒溫度的增加總磷吸附率明顯上升，其中650℃牡蠣殼投加量大于0.6g時(shí)，總磷去除率達(dá)98%以上；當(dāng)投加量為0.3g時(shí)，650℃牡蠣殼的吸附量達(dá)到最大值1138.41mg·kg-1；當(dāng)磷溶液濃度為20mg/L時(shí)，4種牡蠣殼總磷去除率最高分別可達(dá)38.58%，40.09%，64.36%，99.62%；250℃改性牡蠣殼與原牡蠣殼對(duì)總磷去除率相近；當(dāng)投加量為0.4g時(shí)，650℃改性牡蠣殼的吸附量達(dá)到最大值1413.57mg·kg-1；隨投加量的增加，其他牡蠣殼吸附量不斷下降。當(dāng)磷溶液濃度為30mg/L時(shí)，4種牡蠣總磷去除率最高分別可達(dá)36.26%，26.07%，47.64%，99.20%；當(dāng)投加量為0.4g時(shí)，650℃改性牡蠣殼的吸附量達(dá)到最大值2135.68mg·kg-1。

圖1 改性牡蠣殼投加量對(duì)總磷去除效果的影響

(2)不同濃度磷溶液中污泥炭、活性炭、蛭石投加量對(duì)總磷去除的影響曲線，如圖2所示。可以看出，隨著投加量的增加，吸附量總體上呈下降趨勢(shì)，總磷去除率不斷升高；當(dāng)磷溶液濃度為10mg/L時(shí)，污泥炭最大去除率達(dá)到25.87%。三種基質(zhì)的吸附能力表現(xiàn)為：蛭石<活性炭<污泥炭，當(dāng)活性炭投加量為0.2g時(shí)，吸附量達(dá)到最大值276.52mg·kg-1。當(dāng)磷溶液濃度為20mg/L時(shí)，總磷吸附能力表現(xiàn)為：污泥炭<活性炭<蛭石。當(dāng)磷溶液濃度為30mg/L時(shí)，總磷吸附能力表現(xiàn)為：蛭石<污泥炭<活性炭，活性炭最大去除率達(dá)23.51%。

圖2 不同基質(zhì)投加量對(duì)總磷去除效果的影響

2.2 基質(zhì)投加量對(duì)脫氮吸附效果影響研究

(1)在濃度為10、20、30mg/L的氨氮溶液中，改性牡蠣殼及原牡蠣殼對(duì)氨氮去除效果變化曲線，如圖3所示。當(dāng)氨氮溶液濃度為10mg/L時(shí)，隨著投加量的增加，吸附量總體呈下降趨勢(shì)，鍛燒溫度越高的牡蠣殼表現(xiàn)出越高的氨氮吸附率，而氨氮去除率不斷升高。4種牡蠣殼氨氮去除率最高分別可達(dá)到13.47%，14.98%，18.02%，37.56%。氨氮溶液濃度為20mg/L時(shí)，4種牡蠣殼氨氮去除率最高分別可達(dá)到11.05%，11.45%，12.63%，32.24%。當(dāng)氨氮溶液濃度為30mg/L時(shí)，4種牡蠣殼氨氮去除率最高分別可達(dá)9.32%，9.88%，10.26%，19.55%。

圖3 改性牡蠣殼投加量對(duì)氨氮去除效果的影響

(2)不同濃度氨氮溶液中竹粉生物炭、木粉生物炭、污泥炭、活性炭、蛭石投加量對(duì)氨氮去除的影響曲線，如圖4所示。可以看出，五種基質(zhì)隨著投加量的增加，吸附量總體呈下降趨勢(shì)，氨氮去除率不斷升高。在氨氮濃度為10mg/L溶液中，蛭石投加量大于0.7g時(shí)，對(duì)氨氮去除速率逐漸趨于平穩(wěn)，氨氮吸附能力表現(xiàn)為：活性炭<污泥炭<竹粉生物炭<木粉生物炭<蛭石，其中蛭石最大去除率為36.13%。在氨氮濃度為20mg/L溶液中，氨氮吸附能力表現(xiàn)為：活性炭<污泥炭<竹粉生物炭<木粉生物炭<蛭石。氨氮溶液濃度為30mg/L時(shí)，氨氮吸附能力表現(xiàn)為：活性炭<污泥炭<木粉生物炭<蛭石<竹粉生物炭，其中竹粉生物炭最大去除率達(dá)到21.91%。

圖4 不同基質(zhì)投加量對(duì)氨氮去除效果的影響

3 基質(zhì)配比試驗(yàn)

3.1 基質(zhì)配比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)竹粉生物炭、木粉生物炭、污泥炭、活性炭、蛭石、牡蠣殼及其改性牡蠣殼投加量對(duì)總磷、氨氮吸附效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，木粉生物炭與蛭石與對(duì)氨氮吸附效果較好，650℃牡蠣殼對(duì)磷酸鹽吸附效果最佳。因此，選用木粉生物炭、蛭石、650℃牡蠣殼進(jìn)行不同比例配比，以期得到最佳總磷、氨氮去除效果配比比例。配比方案見(jiàn)表1。根據(jù)基質(zhì)配比表，將不同比例的木粉生物炭、蛭石、650℃牡蠣殼共1.0g加入150mL錐形瓶中，加入不同濃度氨氮、總磷混合溶液，25℃下恒溫震蕩120min后過(guò)濾取樣，計(jì)算溶液總磷、氨氮去除率及平衡吸附量。

表1 各配方基質(zhì)配比表 單位：%

3.2 不同基質(zhì)配比除磷脫氮效果研究

不同混合比例的方案在不同濃度氨氮、總磷混合溶液下總磷、氨氮吸附效果如圖5所示?？梢钥闯?，氨氮/總磷混合溶液濃度為12/2mg/L時(shí)，方案4、5、6對(duì)總磷的去除率分別為69.61%、77.35%、54.97%，但對(duì)氨氮去除效果相對(duì)較差；方案7、8、9對(duì)氨氮的去除率分別達(dá)到42.54%、48.07%、33.15%；但對(duì)總磷去除效果較差，最高僅為5.53%；除此之外，方案1、3、10、11、12、13、16對(duì)氨氮的吸附效果相對(duì)較好，去除率達(dá)25%以上；方案1、2、3、10、14、16對(duì)總磷的去除率均達(dá)60%以上。氨氮/總磷混合溶液濃度為60/10mg/L時(shí)，各組處理對(duì)氨氮、總磷的去除率普遍減小。因此，兼顧氨氮去除效果與總磷去除效果，選擇方案1、3、10、16進(jìn)行實(shí)際污水處理實(shí)驗(yàn)。

3.3 不同基質(zhì)配比在實(shí)際污水處理中的研究

利用方案1、3、10、16對(duì)社河濕地污水進(jìn)行總磷、氨氮吸附試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，方案1對(duì)實(shí)際水體中氨氮去除率為50.67%，總磷去除率為33.01%，氨氮去除效果優(yōu)于總磷去除效果；方案3對(duì)實(shí)際水體中氨氮、總磷去除率均達(dá)50%以上；方案10對(duì)實(shí)際水體中氨氮去除率為85.33%、總磷去除率為85.82%，總磷去除效果略高于氨氮去除效果；而方案16對(duì)實(shí)際水體中總磷的去除率最高為88.67%，氨氮去除率最低為39.67%。綜上，方案3、10對(duì)實(shí)際水體中氨氮、總磷吸附效果較好。

圖6 不同處理對(duì)實(shí)際水體中氨氮、總磷去除效果

4 結(jié)論

為探尋具備強(qiáng)效凈化功能的浮床基質(zhì)，以撫順市社河濕地為依托，分析考察了不同基質(zhì)對(duì)總磷、氨氮的吸附特性，以及不同基質(zhì)組合的綜合去除效果，得出以下結(jié)論：

(1)隨著四種牡蠣殼投加量增加，總磷去除率不斷升高，而吸附量呈明顯下降趨勢(shì)，650℃改性牡蠣殼對(duì)總磷的吸附量高達(dá)2135.68mg·kg-1。

(2)通過(guò)不同濃度氨氮、總磷混合溶液中氨氮、總磷去除效果對(duì)比16組不同比例配比的基質(zhì)組合，發(fā)現(xiàn)方案1、3、10、16對(duì)總磷、氨氮混合溶液中氨氮、總磷的去除效果比較穩(wěn)定。

(3)基質(zhì)組合木粉生物炭∶蛭石∶650℃改性牡蠣殼為1∶1∶1，對(duì)實(shí)際水體中氨氮、總磷去凈化效果最好，氨氮去除率為85.33%、總磷去除率為85.82%，為未來(lái)強(qiáng)化組合生態(tài)浮床研發(fā)提供技術(shù)參考。