人工湿地不同吸附性能试验研究

作者:化学

  随着我国经济和社会的快速发展,各种含磷废水排放所造成的富营养化等水体污染问题日益引起人们的关注。在各种含磷废水处理方法中,人工湿地具有处理效果好、运转维护简便、投资和运转费用低、具有环境美学价值等优点。目前,人工湿地污水处理技术在欧洲、北美等发达国家已经得到广泛的研究和应用,近年来在我国的应用也逐渐增多。

  基质是人工湿地的“心脏”,污水中的磷可以通过基质的吸附作用而去除,因此基质的特性对人工湿地磷去除效果具有至关重要的影响。由于基质种类繁多、不同基质的成本和吸附效果不同,因此寻求开发价格低、效果好的磷吸附基质,已成为修复富营养化水体和含磷废水处理的研究热点之一。

  有研究者对人工湿地不同基质的除磷效果进行了研究,发现沸石、蛭石是人工湿地的良好基质,但是上述基质价格昂贵、产地有限。鉴于成本因素的考虑,在满足处理效果的基础上,从常规的低成本基质中筛选出合适的基质不失为一种可行的选择。

  综上所述,本试验主要研究沙、碎石、土、灰渣4种低成本人工湿地基质对废水中磷的吸附效果,考察不同基质的磷吸附动力学性能、等温吸附性能和饱和基质的脱附性能,为实际的应用提供参考。

  本试验选取的4种基质分别为沙、碎石、土、灰渣。沙和碎石取自某建筑工地,土取自天津农学院校内试验田,灰渣取自某供热站,为燃煤锅炉燃烧后产物。上述基质除杂、粉碎、烘干后过筛,将过滤后的基质用蒸馏水浸泡3次,每次24h,最后用烘箱烘干备用。

  试验中的含磷废水为人工模拟废水,废水中的磷采用KH2PO3提供,根据需要的浓度将准确称质量后的KH2PO3溶解于蒸馏水中而成。

  (2000rmin-1、2min),测其上清液磷浓度,根据其浓度变化计算基质的吸附量,每种基质作3组平行,取平均值绘制各种基质磷吸附量、溶液中磷浓度随时间的变化曲线等温吸附试验

  准确称取5g基质分别置于5个250mL锥形瓶中,分别加入1,2,5,10,20mgL-1的KH2PO3溶液200mL,将锥形瓶置于恒温摇床中,在(251)℃、200rmin-1的条件下振荡12h后离心(2000rmin-1、2min),测其上清液磷浓度,根据其浓度变化计算磷吸附量,每种浓度作3组平行,取平均值绘制平衡吸附量和平衡浓度的关系曲线,并回归磷吸附等温方程。

  准确称取上述吸附饱和的基质(经过滤风干后)5g置于250mL锥形瓶中,加入蒸馏水200mL,将锥形瓶置于恒温摇床中,在(251)℃、200rmin-1的条件下振荡,分别于1,4,8,12,18,24h取样离心(2000rmin-1、

  2min),测其上清液磷浓度,作3组平行,取平均值绘制磷解吸后上清液磷浓度、解吸率随时间的变化曲线分析方法

  反映了沙、碎石、土、灰渣4种基质溶液中磷浓度随时间的变化关系。由图可见,随着吸附时间的增加,曲线整体呈下降趋势,说明溶液中磷浓度逐渐减少,磷去除率逐渐增大;最初12h内磷浓度下降较快,12h后浓度几乎没有变化。在初始浓度都是60mgL-1的相同条件下,4种基质溶液磷浓度最低的是土,说明土的吸附效果最好,其次是沙,然后是灰渣和碎石。土作为基质吸附6h后溶液中磷浓度已经下降为12.22mgL-1,磷去除率达到79.6%。吸附12h后,土、沙、灰渣、碎石4种基质溶液中磷浓度分别下降为11.08,13.30,19.11,19.93mgL-1,磷去除率分别为81.5%,77.8%,68.2%和66.8%。

  表示相同条件下4种基质磷吸附量随时间的变化关系。和浓度变化相对应,随着吸附时间的延长,基质对磷的吸附量也逐渐增大;最初12h内磷吸附量增大较明显,12h后吸附量几乎保持不变。4种基质中土的吸附效果最好,12h后其吸附量达到489.2mgkg-1,而沙、灰渣、碎石的吸附量分别为467.0,408.9和400.8mgkg-1。

  等温吸附试验选择土作为吸附基质,由前述试验可知12h后吸附量基本保持稳定,所以选择的吸附平衡时间为12h。土的等温吸附试验数据见表1,等温吸附曲线可以看出,随着初始磷浓度的增大,其平衡浓度也逐渐增大,相应的平衡吸附量也在增大;浓度较小时,平衡吸附量变化较大。初始浓度由1mgL-1变化到20mgL-1时,平衡吸附量由33.08mgkg-1增大到336.0mgkg-1。

  通过吸附等温数据拟合的弗里德里希方程和兰缪尔方程及其相关性系数如表2所示。

  图4表示了吸附饱和后土的解吸效果。如图所示,随着解吸时间的增加,溶液中磷浓度逐渐增大,相应的解吸率也随之增大。在0~12h内,解吸效果变化较明显,12h时上清液的磷浓度为8.2mgL-1,解吸率为16.8%;12h后解吸效果变化变缓,24h时上清液的磷浓度和解吸率分别为10.3mgL-1和21.17%。

  在初始浓度60mgL-1的条件下,土、碎石、沙子、炉灰渣4种基质12h后的吸附量分别为489.2,467.0,408.9,400.8mgkg-1。土的等温吸附可以用弗里德里希吸附等温式和兰缪尔吸附等温式表示,在0~20mgL-1的浓度范围内,其表达式分别可以用q=88.879c0.6065和q=表示,相关性系数分别为0.990和0.9259。土吸附饱和后12h解吸率为16.8%,解吸量较小,不会造成二次污染问题。

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