水凝胶人工水草处理磁湖污水研究

陶 敏，胡三荣，李胜方

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2 湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003；3中国地质大学 环境学院，湖北 武汉 430074)

水凝胶人工水草处理磁湖污水研究

陶 敏1,2，胡三荣3，李胜方2

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003；3中国地质大学 环境学院，湖北 武汉 430074)

分别以活性炭水凝胶、二氧化硅水凝胶为载体制作人工水草，研究了该新型人工水草对磁湖污水的原位处理效果。结果表明，二氧化硅水凝胶人工水草可显著改善水体透明度，对COD、TN、NH4+-N、TP的吸附速率快，吸附容量可达7.80mgCOD/g、0.74 mgTN/g、0.29 mgNH4+-N/g、0.036 mgTP/g，其净化能力明显优于活性炭水凝胶人工水草。经汞灯照射后，2种水凝胶人工水草对各污染物的去除率均有较大的提高，且二氧化硅水凝胶人工水草的再生能力更优。因此，二氧化硅水凝胶人工水草可应用于磁湖污水的原位修复。

人工水草；水凝胶；净化效果；再生能力

磁湖是黄石市城区湖泊，景色秀美，是黄石市区最为重要的景观之一，且在黄石市城区洪水调蓄、生态调节等方面起着重要的作用。然而，随着城市人口和工农业生产的快速发展，磁湖水环境逐渐恶化，水体富营养化程度加剧[1]。因此，如何削减磁湖水体中的污染物尤其是氮、磷等营养元素，对于磁湖水体修复具有重要的现实意义。

人工水草技术是一种新型的生物强化修复技术，具有原位处理、净化效果快、投资低、不产生二次污染等优点，它通过在受污染水体中设置悬浮多孔高分子材料，为藻类、微生物提供载体，可以有效提高水体透明度，吸附降解水体中的有机物、氮、磷、重金属等污染物[2-4]。目前，人工水草使用的载体主要是聚二氯乙烯、尼龙、聚丙烯合物等多孔高分子材料，吸附效果较好，但存在吸附饱和、难以重复利用等问题。

聚合物水凝胶是一种交联的亲水性聚合物，特别是水凝胶中的离子官能团如羧基、磺酸基、酰胺基、羟基等，可以吸附氮、磷、重金属、染料等污染物[5-6]；同时，研究还显示一些水凝胶具有光催化降解能力，从而可以再生或恢复部分吸附能力[7]。因此，本文选取2种聚合物水凝胶，探讨以水凝胶为载体的人工水草技术处理磁湖污水的效果，为磁湖水体修复提供科学指导。

1 材料与方法

1.1试验系统

试验系统由9个500mL的烧杯组成，每个烧杯中加入500mL的磁湖污水，其中4个烧杯中放置不同质量的活性炭水凝胶人工水草，另外4个烧杯中放置不同质量的二氧化硅水凝胶人工水草，最后1个烧杯不放置人工水草，作为空白系统，试验系统组成如表1所示。

表1 试验系统组成

人工水草由漂浮部分(泡沫)、连接部分(塑料绳)、载体(水凝胶)制作而成，整个人工水草悬浮于污水中，从而实现对污水的原位处理。活性炭水凝胶的组成成分为:29.38%丙烯酸、68.56%丙烯酰胺、0.98% N,N-双丙烯酰胺、0.10%过硫酸铵、0.98%活性炭;二氧化硅水凝胶的组成成分为:28.82%丙烯酸、67.24%丙烯酰胺、0.96% N,N-双丙烯酰胺、0.10%过硫酸铵、2.88%二氧化硅。水凝胶的照片如图1所示。

图1 水凝胶的照片

1.2试验方法

每天从各烧杯中取出约40mL水样，分析主要理化指标；同时，为了保证各烧杯中污水体积不变，每天向各烧杯中补充40mL磁湖污水，连续监测7～10d。吸附试验结束后，将试验系统9个烧杯在汞灯下照射1h；然后与上述步骤相同，每天继续监测各理化指标，连续监测3～5d。

1.3分析指标及测定方法

化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)等化学指标按照国家标准方法进行测定[8]。

2 结果与分析

2.1水体透明度的变化

二氧化硅水凝胶人工水草系统和空白系统水体透明度的变化情况如图2所示。从图2中可以看出，试验后期空白系统已长满藻类，透明度较差；而布设二氧化硅水凝胶人工水草的系统较清澈，且随着水凝胶质量的增加透明度越来越好。另外，还可看到试验后期水凝胶的体积显著膨胀，比表面积大，因而吸附效果好；同时，也为生物膜的附着生长提供了良好的载体。

图2 试验后期各装置水体透明度的变化情况

2.2水凝胶人工水草对污染物的处理效果

2.2.1 COD的去除

2种水凝胶人工水草对磁湖污水中污染物的去除效果如图3所示。由图3可知，2种水凝胶人工水草对磁湖污水中COD都具有较好的去除效果，并且COD的去除率均随着水凝胶质量的增加而增大。从吸附平衡时间上看，活性炭水凝胶人工水草对COD吸附达到平衡需5～7 d，而二氧化硅水凝胶人工水草仅需3～4 d，可见二氧化硅水凝胶人工水草的吸附速率较快。2种水凝胶人工水草对污染物的吸附量如图4所示。由图4可知，活性炭水凝胶人工水草(C4)和二氧化硅水凝胶人工水草(S4)对COD的吸附容量分别为7.63 mgCOD/g、7.80mgCOD/g，二氧化硅水凝胶人工水草对COD的吸附容量较大。

图3 2种水凝胶人工水草对磁湖污水中污染物的去除效果

图4 2种水凝胶人工水草对污染物的吸附量

2.2.2 TN的去除

与COD去除规律相似，2种水凝胶人工水草对TN的去除率均较高，且随着水凝胶质量的增加,TN的去除率也逐渐增加。活性炭水凝胶人工水草对TN吸附达到平衡约需6 d，而二氧化硅水凝胶人工水草需4 d左右；由图4可知，活性炭水凝胶人工水草(C4)和二氧化硅水凝胶人工水草(S4)对TN的吸附容量分别为0.63 mgTN/g、0.74 mgTN/g，可见无论是吸附速率还是吸附容量，二氧化硅凝胶人工水草均优于活性炭凝胶人工水草。

2.2.3 NH4+-N的去除

由图3可以看出，活性炭水凝胶人工水草对NH4+-N的去除存在一定的波动，而二氧化硅水凝胶人工水草对NH4+-N的去除率较稳定。活性炭水凝胶人工水草对NH4+-N吸附平衡的时间需要7 d，而二氧化硅水凝胶人工水草仅需3～5d；由图4可知，活性炭水凝胶人工水草(C4)和二氧化硅水凝胶人工水草(S4)对NH4+-N的吸附容量分别为0.19 mgNH4+-N/g、0.29 mgNH4+-N/g，二氧化硅凝胶人工水草对NH4+-N的吸附容量明显优于活性炭凝胶人工水草，这也间接解释了二氧化硅水凝胶人工水草对NH4+-N的去除率较稳定的原因。

2.2.4 TP的去除

由图3可知，在试验第6 d，活性炭水凝胶人工水草系统内TP的浓度突然增加，这可能是活性炭水凝胶对TP吸附饱和后突然“释放”的缘故；而二氧化硅水凝胶人工水草对TP的去除相对较稳定。2种水凝胶人工水草对TP吸附平衡的时间均为7 d左右，这说明2种水凝胶人工水草对TP的吸附速率相当。由图4可知，活性炭水凝胶人工水草(C4)和二氧化硅水凝胶人工水草(S4)对TP的吸附容量分别为0.033 mgTP/g、0.036 mgTP/g，可见两者对TP的吸附容量相差不大。

2.3水凝胶人工水草对污染物的光催化降解效果

从图3中可以看出，经汞灯照射后，2种水凝胶人工水草对各污染物的去除率均有较大的提高。以第8 d和第13 d的监测数据计算，活性炭水凝胶人工水草(C4)和二氧化硅水凝胶人工水草(S4)对COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分别提高了44.5%、35.2%、57.0%、46.7%和93.8%、38.5%、70.6%、72.2%，这说明在汞灯照射下水凝胶中吸附的部分污染物被光催化降解了，使得吸附饱和的水凝胶得到了再生，从而可实现水凝胶人工水草的重复使用。另外，从再生的效果来看，二氧化硅水凝胶的再生能力明显优于活性炭水凝胶，因而选择以二氧化硅水凝胶为载体的人工水草处理磁湖污水更适宜。

3 讨论

在试验初期，人工水草对污染物的去除主要依赖于载体的吸附能力，因而载体的材质、孔状结构等因素会直接影响污染物的去除效果。杨红艳对4种人工水草(阿科曼生态基、超细立体纤维人工水草、细绳状5cm人工水草、细绳状10cm人工水草)的去污能力进行了研究，结果表明细绳状10cm人工水草对各污染物的综合去除效果最好，它对COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别为85.5%、69.8%、47.5%、67.4%[9-10]。本试验以第8 d监测数据计算，二氧化硅水凝胶人工水草(S4)对COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别为96.0%、69.3%、91.8%、88.8%，可见二氧化硅水凝胶人工水草的去污能力明显优于以上4种人工水草，这可能是由于二氧化硅水凝胶遇水膨胀，使得微孔结构多、比表面积大，因而对污染物的吸附能力强。

当人工水草的载体吸附饱和后，存在难以重复利用的问题，此时对污染物的去除只能依赖于载体上附着生长的生物膜。然而，一些具有光催化特性水凝胶的出现刚好解决了这一问题，在光催化作用下，水凝胶所吸附的污染物被氧化分解，从而使水凝胶恢复吸附能力，为人工水草载体的重复利用提供了可能性。研究表明，在紫外光照射4 h后TiO2/SiO2/γ-Fe2O3凝胶对亚甲基蓝(10mg/L)的降解率可达98.8%。本试验中二氧化硅水凝胶人工水草(S4)对COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分别为93.8%、38.5%、70.6%、72.2%，可见，除TN以外，其他污染物的光催化降解效果都较好。

4 结论

1)2种水凝胶人工水草对磁湖污水均有较好的净化效果，其中二氧化硅水凝胶人工水草可显著改善水体透明度，对污染物的吸附速率明显快于活性炭水凝胶人工水草，并且吸附容量可达7.80mgCOD/g、0.74 mgTN/g、0.29 mgNH4+-N/g、0.036 mgTP/g。

2)经汞灯照射后，2种水凝胶人工水草对各污染物的去除率均有较大的提高，吸附能力得到了再生,并且二氧化硅水凝胶的再生能力更优。因此，二氧化硅水凝胶人工水草的吸附能力和再生能力均较好，可应用于磁湖污水的原位修复。

[1] 张丽莉,赵旭德,胡亨魁,等.磁湖污染现状调查与分析[J].环境保护科学,2008,34(1):17-19.

[2] Ji Zhao,Reza Iranpour,Xinyong Li,et al.The application research progress on the development of artificial plants technology in heavy polluted river[J].Advanced Materials Research,2013,726-731:1764-1769.

[3] 童敏,李真,黄民生,等.多功能人工水草生物膜处理黑臭河水研究[J].水处理技术,2011,37(8):112-116.

[4] 虞益江,竺强,方琦.阿科蔓人工水草生态处理技术在农村生活污水治理中的应用[J].水处理技术,2010,36(5):118-121.

[5] Shengfang Li,Hongping Huang,Min Tao,et al.Frontal polymerization preparation of poly (acrylamide-co-acrylic acid)/activated carbon composite hydrogels for dye removal[J].Journal of Applied Polymer Science,2013(3):3737-3745.

[6] Zhengkui Li,Yueming Wang,Ningmei Wu,et al.Removal of heavy metal ions from wastewater by a novel HEA/AMPS copolymer hydrogel:preparation,characterization,and mechanism [J].Environmental Science and Pollution Research,2013,20(3):1511-1525.

[7] Wiyong Kangwansupamonkon,Walasinee Jitbunpot,Suda Kiatkamjornwong.Photocatalytic efficiency of TiO2/poly [acrylamide-co-(acrylic acid)] composite for textile dye degradation [J].Polymer Degradation and Stability,2010,95(9):1894-1902.

[8] 国家环保总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社,2002:210-284.

[9] 杨红艳.人工水草技术及其在城镇河道生态修复中的应用研究[D].济南:山东师范大学，2013.

[10] 储金宇,姜玲,李宁,等.TiO2/SiO2/γ-Fe2O3的表征及其光催化降解染料废水[J].环境工程学报,2011,5(1):43-47.

(责任编辑吴鸿霞)

Treatment of Polluted Water of Cihu Lake by Using Artificial Plants with Hydrogel

TaoMin1,2,HuSanrong3,LiShengfang2

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control & Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;3School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074)

Two new kinds of artificial plants made of activated carbon hydrogel (called APACH hereafter) and silica hydrogel(called APSH hereafter) were used to treat polluted water of Cihu lake.The results showed that the APSH significantly improved water clarity and adsorption rate for COD,TN,NH4+-N,TP.The adsorption capacity of APSH were up to 7.80mgCOD/g,0.74 mgTN/g,0.29 mgNH4+-N/g,0.036 mgTP/g,respectively,which was obviously better than that of APACH.Irradiated by mercury lamp,two artificial plants both greatly enhanced pollutants removal efficiency,while the APSH regenerated better.Therefore,the artificial plant with silica hydrogel could be used for in-situ remediation of polluted water of Cihu lake.

artificial plants;hydrogel;treatment performance;regenerative capacity

2013-12-30

湖北省教育厅科学技术研究项目(项目编号Q20114401)；矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室开放基金项目(项目编号2012108)；湖北理工学院引进人才项目(项目编号11yjz08R)。

陶敏(1982— )，男，讲师，博士，研究方向：人工湿地与水体修复研究。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.007

X703.1

A

2095-4565(2014)04-0025-05