5種生物滯留池填料的吸附性能分析

2021-08-17 03:06:10林子增吳曉婷何秋玫

凈水技術 2021年8期

許航，林子增，吳曉婷，何秋玫

(南京林業大學土木工程學院，江蘇南京 210037)

作為低影響開發體系的重要技術之一，生物滯留系統在削減徑流量、控制徑流污染方面起到了重要的作用[1]，在海綿城市的建設中被廣泛應用。潘國艷等[2]進行了模擬試驗，監測了生物滯留單元的入流和出流過程，試驗結果表明，滯留池對大、中、小流量洪峰的削減率分別達77.65%、67.37%、67.54%。控制徑流污染是生物滯留池的另一項重要功能。多數研究表明，運行穩定的生物滯留池通過沉淀和過濾作用，能夠有效去除雨水徑流中的TSS[3]。Hsieh等[4]進行了實驗室土柱試驗，結果發現，90%以上的TSS能夠被去除。生物滯留池對氮、磷和有機物的去除效果不穩定[5]，胡愛兵等[6]發現，生物滯留池對雨水徑流中凱氏氮(TKN)的去除率可達55%～66%，但對硝氮(NO3-N)的去除效果較差，一般低于20%。Hsieh等[7]發現，生物滯留池對磷的去除存在不穩定性，試驗測得TP的去除率為4%～99%。樂文彩等[8]進行了南方紅壤區生物滯留池的效果模擬和影響研究，通過室外人工模擬中試試驗，測得生物滯留池對CODCr的平均去除率為45.11%～85.44%。

目前，生物滯留池填料種類繁多，對污染物的處理效果也不盡一致。為了進一步比較填料的吸附效果，本文通過靜態搖床試驗，研究了沸石、火山巖、煤渣、蛭石和珍珠巖對徑流污染物的吸附效果，進行了等溫吸附曲線擬合和吸附動力學研究，分析了填料的總體吸附性能力，篩選出綜合吸附性能較好的填料，以期為生物滯留池填料的選配提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

天然沸石、火山巖、煤渣、蛭石和珍珠巖均購自南京某園藝場，使用前均用清水反復沖洗，并在干燥箱中120 ℃烘干至恒重備用。

試劑：氯化銨、磷酸二氫鉀、硝酸鈉等均來自南京化學試劑股份有限公司，均為分析純。

試驗儀器：L5S紫外可見光分光光度計、SHZ-82恒溫振蕩器、JW-1032低速離心機、GZX-9140MBE型電熱鼓風干燥箱、FA2004B電子分析天平等。

1.2 試驗方法

填料對不同濃度污染物的吸附量和去除率計算如式(1)～式(2)。

q=(ρ0-ρ)V/m

(1)

r=(ρ0-ρt)/ρ0

(2)

其中：q——單位質量的填料對污染物的吸附量，mg/g;

ρ0——溶液的初始濃度，mg/L；

ρ——24 h后溶液的剩余濃度，mg/L;

V——倒入錐形瓶中的溶液的體積，L;

m——填料的投加量，g;

ρt——t時間后溶液的剩余濃度，mg/L；

r——填料對污染物的去除率。

1.3 等溫吸附模型

處理恒溫條件下固體表面吸附試驗的等溫吸附模型為Langmuir方程、Freundlich方程、D-R方程和Tempkin方程，如式(3)～式(6)。

(3)

(4)

lnqe=lnqm-βε2

(5)

qe=alnKT+alnCe

(6)

其中：qm——理論飽和吸附量，mg/g；

b——Langmuir方程常數，L/mg；

Ce——吸附質平衡濃度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g；

Kf——Freundlich吸附平衡常數；

n——填料的吸附強度；

β——與單位摩爾吸附質平均吸附自由能相關的常數，mol2/kJ2；

ε——D-R方程中的polanyi勢能，kJ，如式(7)；

a——與吸附熱有關的物理量，J/mol；

KT——與吸附能有關的平衡常數，L/mol。

ε2=RTln(1+1/Ce)

(7)

其中：R——理想氣體常數，8.314 ×10-3kJ/(mol·K)；

T——絕對溫度，K。

1.4 吸附反應動力學模型

吸附反應動力學模型包括準一級動力學模型和準二級動力學模型，如式(8)～式(9)。

ln(qe-qt)=lnqe-K1t

(8)

(9)

其中：t——吸附反應時間，min；

qt——t時刻吸附量，mg/g；

K1——準一級吸附速率常數，min-1；

K2——準二級吸附速率常數，g/(mg·min)。

1.5 填料的性質表征

利用V-Sorb 2800比表面積及孔徑分析儀，通過氮氣吸脫附試驗對5種填料的比表面積及孔徑進行測試，測試結果如表1所示。由表1可知，沸石的比表面積大、孔容大、孔徑小，宜用作水處理方向的吸附劑[17]。珍珠巖的平均孔直徑最大，比表面積最小。

表1 5種填料的孔結構參數Tab.1 Pore Structure Parameters of 5 Kinds of Packings

由圖1可知，大于2 nm的中孔和大孔在5種填料中占較大比例，5種填料的孔結構主要以中孔和大孔為主。上述填料總體來看屬于中、大孔結構，但較為發達的孔結構使其具有較好的吸附潛質[18]。

圖1 5種填料的孔徑分布曲線Fig.1 Distribution Curve of 5 Kinds of Packings Pore Size

2 結果與討論

2.1 靜態吸附試驗

圖2 振蕩時間對的qe影響Fig.2 Effect of Oscillation Time on qe of

2.1.2 TP吸附試驗

圖3為5種填料對TP的qe隨時間變化的折線圖。由圖3可知，當TP的初始質量濃度為1.2 mg/L時，沸石對TP的qe為0.007 7 mg/g，火山巖為0.007 4 mg/g，煤渣為0.019 5 mg/g，蛭石為0.013 4 mg/g，珍珠巖為0.008 2 mg/g。煤渣對TP的吸附能力遠強于其他填料，去除率可達65%。煤渣的整體結構較疏松，表面及內部含有大量的孔隙[22]，因此，作為一種吸附劑被廣泛應用于廢水的處理中，且煤渣中含有豐富的鈣、鐵和鋁等物質，具備磷素較大吸附容量的條件[23]。煤渣中的含鈣化合物通過與磷發生(共)沉淀反應實現磷的固定，鐵、鋁等物質可以形成絮凝體，結合磷酸鹽從而達到對磷的去除，因此，煤渣對磷具有較好的去除效果[24]。

圖3 振蕩時間對TP的qe的影響Fig.3 Effect of Oscillation Time on qe of TP

2.1.3 TN吸附試驗

由圖4可知，當TN的初始質量濃度為10.7 mg/L時，沸石對TN的qe為0.203 mg/g，火山巖為0.132 mg/g，煤渣為0.120 mg/g，蛭石為0.128 mg/g，珍珠巖為0.113 mg/g。沸石對TN的去除率可以達到76%以上，明顯強于其他填料，這與劉增超等[16]的試驗結果相吻合。

圖4 振蕩時間對TN的qe的影響Fig.4 Effect of Oscillation Time on qe of TN

2.1.4 COD吸附試驗

由圖5可知，360 min后，各填料基本到達吸附平衡狀態。CODCr的初始質量濃度為250 mg/L時，沸石對CODCr的qe為0.357 mg/g，火山巖為0.840 mg/g，煤渣為0.866 mg/g，蛭石為1.061 mg/g，珍珠巖為0.702 mg/g。我國天然蛭石資源豐富且價格低廉[25]，大量可供交換的親水性無機陽離子使蛭石表面存在一層薄的水膜，因此，蛭石具有較強的有機污染物凈化能力[26]。

圖5 振蕩時間對CODCr的qe的影響Fig.5 Effect of Oscillation Time on qe of CODCr

2.2 等溫吸附曲線擬合

等溫吸附曲線擬合可以得到不同濃度下反映填料對污染物吸附能力的相關參數，對填料選擇具有一定的借鑒意義。Langmuir模型是一種單分子層吸附行為模型[27]，可以得到填料對污染物的qm。由Freundlich模型可以得到填料的吸附強度特征系數n和常數Kf，它們可以反映填料對污染物的吸附性能[16, 28]，n<2表示吸附難進行，2

表等溫吸附模型相關參數Tab.2 Related Parameters of Isotherm Adsorption Model

2.2.2 TP等溫吸附曲線擬合

表3為TP等溫吸附模型擬合得到的方程和相關參數，5種填料對TP的吸附在Langmuir方程、Freundlich、D-R方程和Tempkin方程下的線性相關性都較好。由Langmuir方程擬合得到的數據可知，蛭石對TP的理論qm最大，為0.030 3 mg/g，Freundlich模型得到的n為2.02，說明吸附易進行，得到的Kf最大，也表明蛭石對TP的吸附容量最大。在凈化TP方面，蛭石可以優先考慮作為生物滯溜池的填料。

表3 TP等溫吸附模型相關參數Tab.3 Related Parameters of TP Isotherm Adsorption Model

2.2.3 TN等溫吸附曲線擬合

由表4可知，5種填料對TN的吸附均符合Langmuir模型、Freundlich模型和Tempkin模型，D-R模型對沸石、火山巖和珍珠巖的擬合結果較好。根據Langmuir方程，沸石的qm為0.506 mg/g，火山巖的qm為0.497 mg/g，蛭石的qm為0.418 mg/g，珍珠巖的qm為0.313 mg/g，煤渣的qm為0.309 mg/g。沸石和火山巖對TN的qm都較高，且Freundlich模型下的Kf均較大，因此，在凈化TN方面，沸石和火山巖可優先考慮作為生物滯留系統的填料。

表4 TN等溫吸附模型相關參數Tab.4 Related Parameters of TN Isotherm Adsorption Model

2.2.4 COD等溫吸附曲線擬合

COD的等溫吸附曲線擬合結果如表5所示。5種填料對TN的吸附在Langmuir模型，Freundlich模型和Tempkin模型下的擬合結果都較好，D-R模型對沸石、蛭石和珍珠巖的擬合情況較好。由Langmuir方程可知，5種填料的qm順序為蛭石>煤渣>火山巖>珍珠巖>沸石。蛭石和煤渣的qm較大，因此，在凈化有機物方面，蛭石和煤渣可以優先考慮作為生物滯留池的填料。