生態浮床基質吸附除磷脫氮性能研究

劉韶華

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

生態浮床不僅能凈化水質，而且具有較好的景觀效果，但現行浮床技術主要依賴植物對氮、磷等污染物凈化，其凈化效果受氣候和植物生長周期的影響較大[1]。基質作為生態浮床的重要組成部分，能夠為植物生長提供養分，同時自身對水體中的氮、磷也具有較強的吸附作用[2]。因此，探尋具備強效凈化功能的浮床基質逐漸引起國內外學者的關注，常雅軍等[3]研究表明，復合基質對池塘富營養化水和城市生活污水中總磷的去除率分別高達76.6%和77.7%；汪銀梅等[4]發現基質差異對組合式生態浮床的脫氮效果具有顯著影響；張寒雨等[5]研究表明在生態浮床中增加基質對提高植物生理生化特性和營養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、蛭石和污泥炭基質對總磷、氨氮的吸附特性，以及不同基質組合的綜合去除效果，并對基質吸附機理討論，以期為組合生態浮床研發提供理論支持，有著重要的現實意義。

1 實驗方法

1.1 基質的選擇

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)和動物源(牡蠣殼及其改性牡蠣殼)作為浮床基質。牡蠣殼含有具有較強的吸附能力，能夠很好吸附去除工業污水和城市生活污水中的重金屬、氮、磷等污染物，而諸多實驗證明在高溫煅燒下，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，彌補微生物和植物在交替季節處理效果不足的情況[6- 7]。

1.2 基質的制備

用去離子水將牡蠣殼用反復洗凈，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100目篩后，置于干燥器內備用。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驗

取150mL錐形瓶，分別投加不同基質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。總磷、氨氮的平衡吸附量和去除率計算公式為[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 基質吸附除磷脫氮性能分析

2.1 基質投加量對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，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。對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，總磷去除率達98%以上；當投加量為0.3g時，650℃牡蠣殼的吸附量達到最大值1138.41mg·kg-1；當磷溶液濃度為20mg/L時，4種牡蠣殼總磷去除率最高分別可達38.58%，40.09%，64.36%，99.62%；250℃改性牡蠣殼與原牡蠣殼對總磷去除率相近；當投加量為0.4g時，650℃改性牡蠣殼的吸附量達到最大值1413.57mg·kg-1；隨投加量的增加，其他牡蠣殼吸附量不斷下降。當磷溶液濃度為30mg/L時，4種牡蠣總磷去除率最高分別可達36.26%，26.07%，47.64%，99.20%；當投加量為0.4g時，650℃改性牡蠣殼的吸附量達到最大值2135.68mg·kg-1。

圖1 改性牡蠣殼投加量對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，總磷去除率不斷升高；當磷溶液濃度為10mg/L時，污泥炭最大去除率達到25.87%。三種基質的吸附能力表現為：蛭石<活性炭<污泥炭，當活性炭投加量為0.2g時，吸附量達到最大值276.52mg·kg-1。當磷溶液濃度為20mg/L時，總磷吸附能力表現為：污泥炭<活性炭<蛭石。當磷溶液濃度為30mg/L時，總磷吸附能力表現為：蛭石<污泥炭<活性炭，活性炭最大去除率達23.51%。

圖2 不同基質投加量對總磷去除效果的影響

2.2 基質投加量對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氨氮去除效果變化曲線，如圖3所示。當氨氮溶液濃度為10mg/L時，隨著投加量的增加，吸附量總體呈下降趨勢，鍛燒溫度越高的牡蠣殼表現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到13.47%，14.98%，18.02%，37.56%。氨氮溶液濃度為20mg/L時，4種牡蠣殼氨氮去除率最高分別可達到11.05%，11.45%，12.63%，32.24%。當氨氮溶液濃度為30mg/L時，4種牡蠣殼氨氮去除率最高分別可達9.32%，9.88%，10.26%，19.55%。

圖3 改性牡蠣殼投加量對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、蛭石投加量對氨氮去除的影響曲線，如圖4所示。可以看出，五種基質隨著投加量的增加，吸附量總體呈下降趨勢，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，對氨氮去除速率逐漸趨于平穩，氨氮吸附能力表現為：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，氨氮吸附能力表現為：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到21.91%。

圖4 不同基質投加量對氨氮去除效果的影響

3 基質配比試驗

3.1 基質配比實驗

根據竹粉生物炭、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總磷、氨氮吸附效果的實驗結果可知，木粉生物炭與蛭石與對氨氮吸附效果較好，650℃牡蠣殼對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。配比方案見表1。根據基質配比表，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后過濾取樣，計算溶液總磷、氨氮去除率及平衡吸附量。

表1 各配方基質配比表 單位：%

3.2 不同基質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。可以看出，氨氮/總磷混合溶液濃度為12/2mg/L時，方案4、5、6對總磷的去除率分別為69.61%、77.35%、54.97%，但對氨氮去除效果相對較差；方案7、8、9對氨氮的去除率分別達到42.54%、48.07%、33.15%；但對總磷去除效果較差，最高僅為5.53%；除此之外，方案1、3、10、11、12、13、16對氨氮的吸附效果相對較好，去除率達25%以上；方案1、2、3、10、14、16對總磷的去除率均達60%以上。氨氮/總磷混合溶液濃度為60/10mg/L時，各組處理對氨氮、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進行實際污水處理實驗。

3.3 不同基質配比在實際污水處理中的研究

利用方案1、3、10、16對社河濕地污水進行總磷、氨氮吸附試驗，試驗結果如圖6所示。可以看出，方案1對實際水體中氨氮去除率為50.67%，總磷去除率為33.01%，氨氮去除效果優于總磷去除效果；方案3對實際水體中氨氮、總磷去除率均達50%以上；方案10對實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對實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對實際水體中氨氮、總磷吸附效果較好。

圖6 不同處理對實際水體中氨氮、總磷去除效果

4 結論

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

(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，650℃改性牡蠣殼對總磷的吸附量高達2135.68mg·kg-1。

(2)通過不同濃度氨氮、總磷混合溶液中氨氮、總磷去除效果對比16組不同比例配比的基質組合，發現方案1、3、10、16對總磷、氨氮混合溶液中氨氮、總磷的去除效果比較穩定。

(3)基質組合木粉生物炭∶蛭石∶650℃改性牡蠣殼為1∶1∶1，對實際水體中氨氮、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%，為未來強化組合生態浮床研發提供技術參考。