不同填料組合對(duì)污水中氮磷去除效果的研究

方媛瑗，戴國(guó)飛，楊平，代濤濤，張?zhí)m婷

(江西省水利科學(xué)研究院 江西省鄱陽湖水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

人工濕地處理技術(shù)以其低投資、低耗能、操作方便、運(yùn)行簡(jiǎn)單在污水處理及生態(tài)修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。填料是人工濕地的重要組成部分，從目前研究來看，人工濕地填料選擇主要為多孔、比表面積大的單一填料，包括礫石、碎石、沸石、陶粒等[5-10]，而針對(duì)不同填料組合優(yōu)化配比的研究則相對(duì)較少。組合填料不同的性質(zhì)不僅能對(duì)不同污染物的去除進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，還可以提供更加多樣的微生物生長(zhǎng)環(huán)境，提高人工濕地整體對(duì)污染物的去除效果[11-12]，因此人工濕地組合填料的研究十分必要。

本文在對(duì)5種常用填料的研究[13]基礎(chǔ)上選用陶粒、火山巖、沸石、輪胎顆粒4種填料進(jìn)行填料的動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，分析模擬污水下各填料對(duì)氮磷的吸附效果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同填料組合的優(yōu)化配比實(shí)驗(yàn)，比較不同填料組合對(duì)氮磷的去除效果差異，為組合填料在人工濕地的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

陶粒、火山巖、沸石均購于河北某濾料廠，比重>1，粒徑2～6 mm；輪胎顆粒,由廢舊輪胎破碎而成，比重<1，過篩后粒徑為2～4 mm。各填料均用清水清洗并烘干;實(shí)驗(yàn)用水為自配水，其中氨氮濃度為1.48～1.60 mg/L，總磷濃度為0.56 mg/L。

DR500、DR2800 型分光光度計(jì)；THZ-98 恒溫振蕩器；HY-6A 數(shù)顯雙層調(diào)速多用振蕩器；DGF25012C電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 單一填料吸附實(shí)驗(yàn) 分別稱取陶粒、火山巖、沸石、輪胎顆粒30 g放入500 mL錐形瓶中，每個(gè)錐形瓶中加入300 mL實(shí)驗(yàn)用水后置于恒溫?fù)u床中，在轉(zhuǎn)速125 r/min、溫度23 ℃的條件下連續(xù)振蕩72 h，測(cè)定4,8,12,24,48,72 h末氨氮、總磷的濃度，計(jì)算去除率。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行。

1.2.2 組合填料吸附實(shí)驗(yàn) 按表1準(zhǔn)確稱取組合填料30 g放入500 mL錐形瓶中，每個(gè)錐形瓶中加入300 mL實(shí)驗(yàn)用水后置于恒溫?fù)u床中，在轉(zhuǎn)速125 r/min、溫度23 ℃的條件下連續(xù)振蕩72 h。測(cè)定4,8,12,24,48,72 h末氨氮、總磷的濃度，計(jì)算不同組合填料的去除率。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行。

表1 組合填料配比(質(zhì)量比)Table 1 Proportions of different combinations of fillers(quality)

2 結(jié)果與討論

2.1 單一填料對(duì)氮磷的去除效果研究

各填料對(duì)氮磷的去除效果隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線見圖1。

圖1 單一填料對(duì)氮磷的去除效果Fig.1 Changes of NH3-N and TP removal rate of fillers

由圖1a可知，4種填料中沸石對(duì)氨氮的吸附速率較快，在12 h末即達(dá)到平衡狀態(tài)，分析認(rèn)為由于沸石具有多孔道含水架狀結(jié)構(gòu)，有良好的吸附能力和離子交換能力，因此對(duì)氨氮吸附在短時(shí)間可以達(dá)到飽和[14-15]；其余填料中，火山巖在24 h末對(duì)氨氮達(dá)到吸附平衡，陶粒和輪胎顆粒在48 h末也達(dá)到平衡。各填料在飽和吸附時(shí)對(duì)氨氮的去除率均在75%以上，其中沸石對(duì)氨氮的去除效果最好，吸附平衡時(shí)去除率為97.2%；火山巖為其次，吸附平衡時(shí)去除率為85.0%；陶粒和輪胎顆粒的去除效果相對(duì)較弱，吸附平衡時(shí)去除率分別為78.7%和76.1%。

由圖1b可知，各填料對(duì)磷的吸附效果都隨著時(shí)間的增加而增強(qiáng)直至到平衡狀態(tài)，4種填料中火山巖和輪胎顆粒在24 h末達(dá)到吸附平衡，陶粒和沸石在48 h末也達(dá)到平衡。各填料在飽和吸附時(shí)對(duì)磷的去除效果差異較大，其中輪胎顆粒對(duì)磷的去除效果最好，吸附平衡時(shí)去除率為98.9%，分析認(rèn)為輪胎顆粒含有鋅、鈣、銅等金屬氧化物，溶于水中形成具有凝聚作用的聚合物，因此輪胎顆粒對(duì)磷的去除效果明顯[16]；其余填料對(duì)磷的去除效果相對(duì)較弱，平衡時(shí)陶粒、沸石、火山巖對(duì)磷的去除率分別為66.4%，50.0%，43.9%。

各填料吸附達(dá)到平衡時(shí)對(duì)氮磷的吸附量見表2。

表2 各填料吸附平衡時(shí)對(duì)氮磷的吸附量Table 2 Adsorption capacity of nitrogen and phosphorus at equilibrium of fillers

由表2可知，在氨氮濃度為1.60 mg/L時(shí)，各填料的吸附量大小排序?yàn)榉惺?火山巖>陶粒>輪胎顆粒，其中沸石對(duì)氨氮的吸附量為輪胎顆粒吸附量的1.28倍；在磷濃度為0.55 mg/L時(shí)，各填料的吸附量大小排序?yàn)檩喬ヮw粒>陶粒>火山巖>沸石，其中輪胎顆粒對(duì)磷的吸附量為沸石吸附量的1.98倍。由此可得，在處理模擬污水中，沸石對(duì)氨氮的去除效果較好，輪胎顆粒對(duì)磷的去除效果較好。

2.2 組合填料對(duì)氮磷的去除效果研究

根據(jù)單一填料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮幾種填料的吸附能力、性質(zhì)差異和使用成本等因素，對(duì)不同填料的組合進(jìn)行優(yōu)化配比。各組合填料對(duì)氮磷的去除效果隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線見圖2。

圖2 組合填料對(duì)氮磷的去除效果Fig.2 Changes of NH3-N and TP removal rate of combined fillers

由圖2a可知，不同填料組合中，含有沸石的組合填料對(duì)氨氮的吸附速率相對(duì)較快，在24 h末即達(dá)到了吸附平衡，不含沸石的組合填料則在48 h末達(dá)到平衡狀態(tài)，由此可見沸石的存在加快了組合填料氨氮的吸附速率。不同組合填料中，含有沸石的組合填料在平衡時(shí)去除率要高于不含沸石的組合填料，由此表明沸石的添加也增強(qiáng)了組合填料對(duì)氮的去除效果。整體上看，組合填料對(duì)氨氮的去除效果整體相差不大，平衡時(shí)去除率均達(dá)到80%以上。組合填料按去除率大小排序依次為陶?！没鹕綆r∶沸石∶輪胎顆粒=1∶1∶1∶1(92.6%)、陶?！没鹕綆r∶沸石=2∶1∶1(89.9%)、陶?！没鹕綆r∶輪胎顆粒=2∶1∶1(86.5%)、陶?！没鹕綆r=1∶1(83.8%)。

由圖2b可知，不同填料組合對(duì)磷的去除效果都隨著時(shí)間的增加而不斷增強(qiáng)，直至48 h末達(dá)到平衡狀態(tài)。幾組填料中，將陶粒∶火山巖=1∶1的組合填料與陶?！没鹕綆r∶輪胎顆粒=2∶1∶1的組合填料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，輪胎顆粒地加入極大地增強(qiáng)了組合填料對(duì)磷的去除作用，平衡時(shí)前者對(duì)磷的去除率為50.5%，后者去除率則達(dá)到95.0%；同樣的，將陶?！没鹕綆r∶沸石=2∶1∶1組合填料與陶粒∶火山巖∶沸石∶輪胎顆粒=1∶1∶1∶1組合填料對(duì)比也發(fā)現(xiàn)，后者對(duì)磷的去除效果明顯，平衡時(shí)去除率為96.1%，而前者去除率僅為37.3%。由此看來，輪胎顆粒的添加可使得組合填料增強(qiáng)對(duì)磷的去除效果。

不同填料的組合吸附平衡時(shí)對(duì)氮磷的吸附量見表3。

表3 組合填料吸附平衡時(shí)對(duì)氮磷的吸附量Table 3 Adsorption capacity of nitrogen and phosphorus at equilibrium of combined fillers

由表3可知，當(dāng)組合填料中含有沸石時(shí)，平衡時(shí)對(duì)氨氮的吸附量均超過13 mg/kg；反之，當(dāng)組合填料中不含沸石時(shí)，平衡時(shí)對(duì)氨氮的吸附量均<13 mg/kg，這與前面單一填料實(shí)驗(yàn)中沸石對(duì)氨氮的吸附能力表現(xiàn)一致。同樣的，當(dāng)組合填料中含有輪胎顆粒時(shí)，平衡時(shí)對(duì)磷的吸附量均達(dá)到5 mg/kg以上；而組合填料中不含輪胎顆粒時(shí)，平衡時(shí)對(duì)磷的吸附量均<3 mg/kg，僅為含磷組合填料吸附量的50%左右。由表中數(shù)據(jù)對(duì)比可知，不同填料的組合中，當(dāng)陶粒∶火山巖∶沸石∶輪胎顆粒=1∶1∶1∶1時(shí)對(duì)氮磷的吸附效果最佳，平衡時(shí)對(duì)氨氮的吸附量為13.70 mg/kg，對(duì)磷的吸附量為5.36 mg/kg。

3 結(jié)論

(1)4種填料中，沸石對(duì)氨氮的去除效果較好，吸附平衡時(shí)去除率為97.2%，吸附量為15.06 mg/kg；輪胎顆粒對(duì)磷的去除效果較好，吸附平衡時(shí)去除率為98.9%，吸附量為5.44 mg/kg。

(2)不同填料組合中，當(dāng)陶粒∶火山巖∶沸石∶輪胎顆粒=1∶1∶1∶1時(shí)對(duì)氮磷的去除效果較好，吸附平衡時(shí)對(duì)氨氮的去除率為92.6%，吸附量為13.70 mg/kg；對(duì)磷的去除率為96.1%，吸附量為5.36 mg/kg。