5种生物滞留池填料的吸附性能分析

2021-08-17 03:06林子增吴晓婷何秋玫

净水技术 2021年8期

许航，林子增，吴晓婷，何秋玫

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

作为低影响开发体系的重要技术之一，生物滞留系统在削减径流量、控制径流污染方面起到了重要的作用[1]，在海绵城市的建设中被广泛应用。潘国艳等[2]进行了模拟试验，监测了生物滞留单元的入流和出流过程，试验结果表明，滞留池对大、中、小流量洪峰的削减率分别达77.65%、67.37%、67.54%。控制径流污染是生物滞留池的另一项重要功能。多数研究表明，运行稳定的生物滞留池通过沉淀和过滤作用，能够有效去除雨水径流中的TSS[3]。Hsieh等[4]进行了实验室土柱试验，结果发现，90%以上的TSS能够被去除。生物滞留池对氮、磷和有机物的去除效果不稳定[5]，胡爱兵等[6]发现，生物滞留池对雨水径流中凯氏氮(TKN)的去除率可达55%～66%，但对硝氮(NO3-N)的去除效果较差，一般低于20%。Hsieh等[7]发现，生物滞留池对磷的去除存在不稳定性，试验测得TP的去除率为4%～99%。乐文彩等[8]进行了南方红壤区生物滞留池的效果模拟和影响研究，通过室外人工模拟中试试验，测得生物滞留池对CODCr的平均去除率为45.11%～85.44%。

目前，生物滞留池填料种类繁多，对污染物的处理效果也不尽一致。为了进一步比较填料的吸附效果，本文通过静态摇床试验，研究了沸石、火山岩、煤渣、蛭石和珍珠岩对径流污染物的吸附效果，进行了等温吸附曲线拟合和吸附动力学研究，分析了填料的总体吸附性能力，筛选出综合吸附性能较好的填料，以期为生物滞留池填料的选配提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

天然沸石、火山岩、煤渣、蛭石和珍珠岩均购自南京某园艺场，使用前均用清水反复冲洗，并在干燥箱中120 ℃烘干至恒重备用。

试剂：氯化铵、磷酸二氢钾、硝酸钠等均来自南京化学试剂股份有限公司，均为分析纯。

试验仪器：L5S紫外可见光分光光度计、SHZ-82恒温振荡器、JW-1032低速离心机、GZX-9140MBE型电热鼓风干燥箱、FA2004B电子分析天平等。

1.2 试验方法

填料对不同浓度污染物的吸附量和去除率计算如式(1)～式(2)。

q=(ρ0-ρ)V/m

(1)

r=(ρ0-ρt)/ρ0

(2)

其中：q——单位质量的填料对污染物的吸附量，mg/g;

ρ0——溶液的初始浓度，mg/L；

ρ——24 h后溶液的剩余浓度，mg/L;

V——倒入锥形瓶中的溶液的体积，L;

m——填料的投加量，g;

ρt——t时间后溶液的剩余浓度，mg/L；

r——填料对污染物的去除率。

1.3 等温吸附模型

处理恒温条件下固体表面吸附试验的等温吸附模型为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——理论饱和吸附量，mg/g；

b——Langmuir方程常数，L/mg；

Ce——吸附质平衡浓度，mg/L；

qe——平衡吸附量，mg/g；

Kf——Freundlich吸附平衡常数；

n——填料的吸附强度；

β——与单位摩尔吸附质平均吸附自由能相关的常数，mol2/kJ2；

ε——D-R方程中的polanyi势能，kJ，如式(7)；

a——与吸附热有关的物理量，J/mol；

KT——与吸附能有关的平衡常数，L/mol。

ε2=RTln(1+1/Ce)

(7)

其中：R——理想气体常数，8.314 ×10-3kJ/(mol·K)；

T——绝对温度，K。

1.4 吸附反应动力学模型

吸附反应动力学模型包括准一级动力学模型和准二级动力学模型，如式(8)～式(9)。

ln(qe-qt)=lnqe-K1t

(8)

(9)

其中：t——吸附反应时间，min；

qt——t时刻吸附量，mg/g；

K1——准一级吸附速率常数，min-1；

K2——准二级吸附速率常数，g/(mg·min)。

1.5 填料的性质表征

利用V-Sorb 2800比表面积及孔径分析仪，通过氮气吸脱附试验对5种填料的比表面积及孔径进行测试，测试结果如表1所示。由表1可知，沸石的比表面积大、孔容大、孔径小，宜用作水处理方向的吸附剂[17]。珍珠岩的平均孔直径最大，比表面积最小。

表1 5种填料的孔结构参数Tab.1 Pore Structure Parameters of 5 Kinds of Packings

由图1可知，大于2 nm的中孔和大孔在5种填料中占较大比例，5种填料的孔结构主要以中孔和大孔为主。上述填料总体来看属于中、大孔结构，但较为发达的孔结构使其具有较好的吸附潜质[18]。

图1 5种填料的孔径分布曲线Fig.1 Distribution Curve of 5 Kinds of Packings Pore Size

2 结果与讨论

2.1 静态吸附试验

图2 振荡时间对的qe影响Fig.2 Effect of Oscillation Time on qe of

2.1.2 TP吸附试验

图3为5种填料对TP的qe随时间变化的折线图。由图3可知，当TP的初始质量浓度为1.2 mg/L时，沸石对TP的qe为0.007 7 mg/g，火山岩为0.007 4 mg/g，煤渣为0.019 5 mg/g，蛭石为0.013 4 mg/g，珍珠岩为0.008 2 mg/g。煤渣对TP的吸附能力远强于其他填料，去除率可达65%。煤渣的整体结构较疏松，表面及内部含有大量的孔隙[22]，因此，作为一种吸附剂被广泛应用于废水的处理中，且煤渣中含有丰富的钙、铁和铝等物质，具备磷素较大吸附容量的条件[23]。煤渣中的含钙化合物通过与磷发生(共)沉淀反应实现磷的固定，铁、铝等物质可以形成絮凝体，结合磷酸盐从而达到对磷的去除，因此，煤渣对磷具有较好的去除效果[24]。

图3 振荡时间对TP的qe的影响Fig.3 Effect of Oscillation Time on qe of TP

2.1.3 TN吸附试验

由图4可知，当TN的初始质量浓度为10.7 mg/L时，沸石对TN的qe为0.203 mg/g，火山岩为0.132 mg/g，煤渣为0.120 mg/g，蛭石为0.128 mg/g，珍珠岩为0.113 mg/g。沸石对TN的去除率可以达到76%以上，明显强于其他填料，这与刘增超等[16]的试验结果相吻合。

图4 振荡时间对TN的qe的影响Fig.4 Effect of Oscillation Time on qe of TN

2.1.4 COD吸附试验

由图5可知，360 min后，各填料基本到达吸附平衡状态。CODCr的初始质量浓度为250 mg/L时，沸石对CODCr的qe为0.357 mg/g，火山岩为0.840 mg/g，煤渣为0.866 mg/g，蛭石为1.061 mg/g，珍珠岩为0.702 mg/g。我国天然蛭石资源丰富且价格低廉[25]，大量可供交换的亲水性无机阳离子使蛭石表面存在一层薄的水膜，因此，蛭石具有较强的有机污染物净化能力[26]。

图5 振荡时间对CODCr的qe的影响Fig.5 Effect of Oscillation Time on qe of CODCr

2.2 等温吸附曲线拟合

等温吸附曲线拟合可以得到不同浓度下反映填料对污染物吸附能力的相关参数，对填料选择具有一定的借鉴意义。Langmuir模型是一种单分子层吸附行为模型[27]，可以得到填料对污染物的qm。由Freundlich模型可以得到填料的吸附强度特征系数n和常数Kf，它们可以反映填料对污染物的吸附性能[16, 28]，n<2表示吸附难进行，2

表等温吸附模型相关参数Tab.2 Related Parameters of Isotherm Adsorption Model

2.2.2 TP等温吸附曲线拟合

表3为TP等温吸附模型拟合得到的方程和相关参数，5种填料对TP的吸附在Langmuir方程、Freundlich、D-R方程和Tempkin方程下的线性相关性都较好。由Langmuir方程拟合得到的数据可知，蛭石对TP的理论qm最大，为0.030 3 mg/g，Freundlich模型得到的n为2.02，说明吸附易进行，得到的Kf最大，也表明蛭石对TP的吸附容量最大。在净化TP方面，蛭石可以优先考虑作为生物滞溜池的填料。

表3 TP等温吸附模型相关参数Tab.3 Related Parameters of TP Isotherm Adsorption Model

2.2.3 TN等温吸附曲线拟合

由表4可知，5种填料对TN的吸附均符合Langmuir模型、Freundlich模型和Tempkin模型，D-R模型对沸石、火山岩和珍珠岩的拟合结果较好。根据Langmuir方程，沸石的qm为0.506 mg/g，火山岩的qm为0.497 mg/g，蛭石的qm为0.418 mg/g，珍珠岩的qm为0.313 mg/g，煤渣的qm为0.309 mg/g。沸石和火山岩对TN的qm都较高，且Freundlich模型下的Kf均较大，因此，在净化TN方面，沸石和火山岩可优先考虑作为生物滞留系统的填料。

表4 TN等温吸附模型相关参数Tab.4 Related Parameters of TN Isotherm Adsorption Model

2.2.4 COD等温吸附曲线拟合

COD的等温吸附曲线拟合结果如表5所示。5种填料对TN的吸附在Langmuir模型，Freundlich模型和Tempkin模型下的拟合结果都较好，D-R模型对沸石、蛭石和珍珠岩的拟合情况较好。由Langmuir方程可知，5种填料的qm顺序为蛭石>煤渣>火山岩>珍珠岩>沸石。蛭石和煤渣的qm较大，因此，在净化有机物方面，蛭石和煤渣可以优先考虑作为生物滞留池的填料。