生态浮床基质吸附除磷脱氮性能研究

刘韶华

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006)

生态浮床不仅能净化水质，而且具有较好的景观效果，但现行浮床技术主要依赖植物对氮、磷等污染物净化，其净化效果受气候和植物生长周期的影响较大[1]。基质作为生态浮床的重要组成部分，能够为植物生长提供养分，同时自身对水体中的氮、磷也具有较强的吸附作用[2]。因此，探寻具备强效净化功能的浮床基质逐渐引起国内外学者的关注，常雅军等[3]研究表明，复合基质对池塘富营养化水和城市生活污水中总磷的去除率分别高达76.6%和77.7%；汪银梅等[4]发现基质差异对组合式生态浮床的脱氮效果具有显著影响；张寒雨等[5]研究表明在生态浮床中增加基质对提高植物生理生化特性和营养盐的去除具有良好的效果。本文以抚顺市社河湿地为依托，分析考察了牡蛎壳及其改性牡蛎壳、竹粉生物炭、木粉生物炭、活性炭、蛭石和污泥炭基质对总磷、氨氮的吸附特性，以及不同基质组合的综合去除效果，并对基质吸附机理讨论，以期为组合生态浮床研发提供理论支持，有着重要的现实意义。

1 实验方法

1.1 基质的选择

以固废源(污泥炭)、矿物源(蛭石)、植物源(竹粉生物炭、木粉生物炭、活性炭)和动物源(牡蛎壳及其改性牡蛎壳)作为浮床基质。牡蛎壳含有具有较强的吸附能力，能够很好吸附去除工业污水和城市生活污水中的重金属、氮、磷等污染物，而诸多实验证明在高温煅烧下，牡蛎壳除磷效果较好。蛭石具有较好的吸附性能和离子交换能力，常被用作填料，弥补微生物和植物在交替季节处理效果不足的情况[6- 7]。

1.2 基质的制备

用去离子水将牡蛎壳用反复洗净，110℃下烘干后研磨，分别于250℃、500℃、650℃温度下热解60min改性。污泥炭、活性炭、蛭石过100目筛后，置于干燥器内备用。将竹粉、木粉原料置于电解炉中自然升温至550℃热解180min后，得竹粉生物炭与木粉生物炭。

1.3 吸附剂投加量影响实验

取150mL锥形瓶，分别投加不同基质0.1～1.0g，并加入50mL不同浓度溶液(磷浓度为10、20、30mg/L；氨氮浓度为10、20、30mg/L)，25℃下恒温震荡120min后取样。总磷、氨氮的平衡吸附量和去除率计算公式为[8- 9]：

(1)

(2)

式中，m—投加吸附，g；C0—原溶液浓度，mg/L；Cm—不同投加量m吸附后的溶液浓度，mg/L；V—吸附溶液的体积，L；R—去除率，%；Qm—不同投加量m下的吸附量，mg/kg。

2 基质吸附除磷脱氮性能分析

2.1 基质投加量对除磷吸附效果影响研究

(1)在浓度为10、20、30mg/L的磷溶液中，改性牡蛎壳及原牡蛎壳对总磷去除效果变化曲线，如图1所示。可以看出，磷溶液浓度为10mg/L时，4种牡蛎壳总磷去除率随着投加量的增加不断升高，而吸附量总体呈明显的下降趋势。对比不同改性的牡蛎壳可知，随着锻烧温度的增加总磷吸附率明显上升，其中650℃牡蛎壳投加量大于0.6g时，总磷去除率达98%以上；当投加量为0.3g时，650℃牡蛎壳的吸附量达到最大值1138.41mg·kg-1；当磷溶液浓度为20mg/L时，4种牡蛎壳总磷去除率最高分别可达38.58%，40.09%，64.36%，99.62%；250℃改性牡蛎壳与原牡蛎壳对总磷去除率相近；当投加量为0.4g时，650℃改性牡蛎壳的吸附量达到最大值1413.57mg·kg-1；随投加量的增加，其他牡蛎壳吸附量不断下降。当磷溶液浓度为30mg/L时，4种牡蛎总磷去除率最高分别可达36.26%，26.07%，47.64%，99.20%；当投加量为0.4g时，650℃改性牡蛎壳的吸附量达到最大值2135.68mg·kg-1。

图1 改性牡蛎壳投加量对总磷去除效果的影响

(2)不同浓度磷溶液中污泥炭、活性炭、蛭石投加量对总磷去除的影响曲线，如图2所示。可以看出，随着投加量的增加，吸附量总体上呈下降趋势，总磷去除率不断升高；当磷溶液浓度为10mg/L时，污泥炭最大去除率达到25.87%。三种基质的吸附能力表现为：蛭石<活性炭<污泥炭，当活性炭投加量为0.2g时，吸附量达到最大值276.52mg·kg-1。当磷溶液浓度为20mg/L时，总磷吸附能力表现为：污泥炭<活性炭<蛭石。当磷溶液浓度为30mg/L时，总磷吸附能力表现为：蛭石<污泥炭<活性炭，活性炭最大去除率达23.51%。

图2 不同基质投加量对总磷去除效果的影响

2.2 基质投加量对脱氮吸附效果影响研究

(1)在浓度为10、20、30mg/L的氨氮溶液中，改性牡蛎壳及原牡蛎壳对氨氮去除效果变化曲线，如图3所示。当氨氮溶液浓度为10mg/L时，随着投加量的增加，吸附量总体呈下降趋势，锻烧温度越高的牡蛎壳表现出越高的氨氮吸附率，而氨氮去除率不断升高。4种牡蛎壳氨氮去除率最高分别可达到13.47%，14.98%，18.02%，37.56%。氨氮溶液浓度为20mg/L时，4种牡蛎壳氨氮去除率最高分别可达到11.05%，11.45%，12.63%，32.24%。当氨氮溶液浓度为30mg/L时，4种牡蛎壳氨氮去除率最高分别可达9.32%，9.88%，10.26%，19.55%。

图3 改性牡蛎壳投加量对氨氮去除效果的影响

(2)不同浓度氨氮溶液中竹粉生物炭、木粉生物炭、污泥炭、活性炭、蛭石投加量对氨氮去除的影响曲线，如图4所示。可以看出，五种基质随着投加量的增加，吸附量总体呈下降趋势，氨氮去除率不断升高。在氨氮浓度为10mg/L溶液中，蛭石投加量大于0.7g时，对氨氮去除速率逐渐趋于平稳，氨氮吸附能力表现为：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为36.13%。在氨氮浓度为20mg/L溶液中，氨氮吸附能力表现为：活性炭<污泥炭<竹粉生物炭<木粉生物炭<蛭石。氨氮溶液浓度为30mg/L时，氨氮吸附能力表现为：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达到21.91%。

图4 不同基质投加量对氨氮去除效果的影响

3 基质配比试验

3.1 基质配比实验

根据竹粉生物炭、木粉生物炭、污泥炭、活性炭、蛭石、牡蛎壳及其改性牡蛎壳投加量对总磷、氨氮吸附效果的实验结果可知，木粉生物炭与蛭石与对氨氮吸附效果较好，650℃牡蛎壳对磷酸盐吸附效果最佳。因此，选用木粉生物炭、蛭石、650℃牡蛎壳进行不同比例配比，以期得到最佳总磷、氨氮去除效果配比比例。配比方案见表1。根据基质配比表，将不同比例的木粉生物炭、蛭石、650℃牡蛎壳共1.0g加入150mL锥形瓶中，加入不同浓度氨氮、总磷混合溶液，25℃下恒温震荡120min后过滤取样，计算溶液总磷、氨氮去除率及平衡吸附量。

表1 各配方基质配比表 单位：%

3.2 不同基质配比除磷脱氮效果研究

不同混合比例的方案在不同浓度氨氮、总磷混合溶液下总磷、氨氮吸附效果如图5所示。可以看出，氨氮/总磷混合溶液浓度为12/2mg/L时，方案4、5、6对总磷的去除率分别为69.61%、77.35%、54.97%，但对氨氮去除效果相对较差；方案7、8、9对氨氮的去除率分别达到42.54%、48.07%、33.15%；但对总磷去除效果较差，最高仅为5.53%；除此之外，方案1、3、10、11、12、13、16对氨氮的吸附效果相对较好，去除率达25%以上；方案1、2、3、10、14、16对总磷的去除率均达60%以上。氨氮/总磷混合溶液浓度为60/10mg/L时，各组处理对氨氮、总磷的去除率普遍减小。因此，兼顾氨氮去除效果与总磷去除效果，选择方案1、3、10、16进行实际污水处理实验。

3.3 不同基质配比在实际污水处理中的研究

利用方案1、3、10、16对社河湿地污水进行总磷、氨氮吸附试验，试验结果如图6所示。可以看出，方案1对实际水体中氨氮去除率为50.67%，总磷去除率为33.01%，氨氮去除效果优于总磷去除效果；方案3对实际水体中氨氮、总磷去除率均达50%以上；方案10对实际水体中氨氮去除率为85.33%、总磷去除率为85.82%，总磷去除效果略高于氨氮去除效果；而方案16对实际水体中总磷的去除率最高为88.67%，氨氮去除率最低为39.67%。综上，方案3、10对实际水体中氨氮、总磷吸附效果较好。

图6 不同处理对实际水体中氨氮、总磷去除效果

4 结论

为探寻具备强效净化功能的浮床基质，以抚顺市社河湿地为依托，分析考察了不同基质对总磷、氨氮的吸附特性，以及不同基质组合的综合去除效果，得出以下结论：

(1)随着四种牡蛎壳投加量增加，总磷去除率不断升高，而吸附量呈明显下降趋势，650℃改性牡蛎壳对总磷的吸附量高达2135.68mg·kg-1。

(2)通过不同浓度氨氮、总磷混合溶液中氨氮、总磷去除效果对比16组不同比例配比的基质组合，发现方案1、3、10、16对总磷、氨氮混合溶液中氨氮、总磷的去除效果比较稳定。

(3)基质组合木粉生物炭∶蛭石∶650℃改性牡蛎壳为1∶1∶1，对实际水体中氨氮、总磷去净化效果最好，氨氮去除率为85.33%、总磷去除率为85.82%，为未来强化组合生态浮床研发提供技术参考。