垂直流动态强化下基质对污染物的吸附活性及机理

基质作为人工湿地的骨架部分,对污染物的去除发挥着重要作用。选择黄土球、无烟煤与页岩陶粒,在不同进水负荷的垂直流动态条件下,对污染物去除进行比较,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对其矿物组成与表面形貌进行分析,以深入探讨黄土球等基质的吸附活性及机理。结果表明:黄土球因其本身的去质子化作用,对NH₄+-N具有极好的吸附活性,试验初始阶段NH₄+-N去除率达到80%;同时,在较高磷浓度的进水负荷下,黄土球的静电作用与原子配位反应提升了其对可溶性反应磷(SRP)及颗粒磷(PP)的吸附能力;此外,黄土球的物理吸附作用对于COD的去除率均值达到50%,并改善水体中以芳香类为主的溶解性有机质(DOM)组成;无烟煤同样具有高效的吸附活性,对TP去除率能达到80%,单位基质磷吸附能力为6.89 mg/kg;无烟煤吸附机理以静电吸附为主,致使去除水体中的SRP效率更高,占据磷去除总量的44%;页岩陶粒则源于自身丰富的金属矿物成分,对PP有良好的结合吸附作用。3种基质在连续试验中均表现出对不同污染物的吸附活性,在连续试验中对污染物的"吸附疲性"也有着显著差异。基于试验结果和机理分析发现,黄土球具有潜在的湿地基质应用价值,并有助于改善水质中的DOM组分。     

不同基质组合对氮磷吸附能力的研究

就地利用菜地改建小型湿地系统可能是实现农村生活污水消纳和资源化利用的一种有效途径,其中菜园土与吸附基质的组合直接关系水体污染物中氮磷的净化效果. 选取沸石、谷壳、活性炭、陶粒和菜园土作为试验基质,使用BET比表面积孔径分析仪、扫描电子显微镜和Ｘ射线衍射仪(EDX)对其进行表征,通过等温吸附试验分别筛选出对氮磷吸附效果较好的沸石和陶粒,设置菜园土∶陶粒∶沸石质量占比基质组合:F1(10∶0∶0)、F2(6∶2∶2)、F3(8∶1∶1)、F4(8∶2∶0)、F5(8∶0∶2)、F6(6∶1∶3)和F7(6∶3∶1). 在低、中、高3种氮磷浓度下,通过吸附动力学试验筛选出去除效果最好的基质组合. 结果表明:①5种单一基质中,活性炭、陶粒的比表面积(35.72、33.23 m2/g)和微孔体积(2.20×10?1、8.25×10?2 cm2/g)均较大;沸石和陶粒表面呈粗糙多孔结构. ②Freundlich和Langmuir等温吸附模型均能较好地拟合5种单一基质对氮磷的吸附,各基质对氮的饱和吸附量表现为沸石(2.00 mg/g)>陶粒(1.47 mg/g)>菜园土(1.17 mg/g)>活性炭(0.99 mg/g)>谷壳(0.21 mg/g),对磷的饱和吸附量表现为陶粒(1.28 mg/g)>活性炭(1.25 mg/g)>沸石(1.16 mg/g)>谷壳(0.80 mg/g)>菜园土(0.50 mg/g). ③7种基质组合对氮磷吸附具有相似的动力学特征,Elovich模型、双常数速率模型和一级反应动力学模型均能较好地模拟基质组合对不同污染负荷条件下氮磷的吸附规律. ④7种基质组合对氮磷的吸附速率均呈现先快后慢的趋势,最终于12~48 h趋于稳定. 研究显示,F2、F4和F7基质组合对氮磷的去除效果均较好,但考虑菜地改造的简易性和可操作性,F4为最佳基质组合,其在3种不同氮磷浓度下对氮、磷的吸附量分别为0.36~0.68和0.10~0.39 mg/g.      

人工湿地常用生物陶粒基质LDHs覆膜改性及其除磷效果研究

分别利用3种二价金属化合物和3种三价金属化合物,采用水热共沉淀法在碱性条件下对人工湿地中常用的生物陶粒基质进行层状双金属氢氧化物(LDHs)覆膜改性,并将9种不同类型的LDHs覆膜改性生物陶粒基质和普通生物陶粒基质分别填充于10个垂直流人工湿地模拟实验柱中,进行除磷净化实验.结果表明,9种不同类型的改性生物陶粒基质均能有效提高磷素的净化效果;Zn系LDHs改性生物陶粒对总磷、溶解性总磷、磷酸盐均有很好的处理效果,其中Zn Fe-LDHs、Zn Co-LDHs和Zn Al-LDHs对总磷的平均去除率均在92%以上,对溶解性总磷和磷酸盐的平均去除率均超过95%;其对磷素的净化机理主要集中于物理化学作用,同时还应与其对微生物生长的促进作用有关.     

几种基质对水中磷的吸附特性

选取钢渣、活性炭、天然沸石、粗砂4种基质,结合矿物成分分析研究其对磷的等温吸附特征和吸附动力学过程,并考察pH值对其吸附磷的影响.结果表明:活性炭、天然沸石、粗砂的等温吸附特征与Freundlich方程拟合较好(r>0.9);而钢渣更符合Langmuir方程.其吸附能力大小为:钢渣>活性炭>沸石>粗砂.沸石、粗砂对磷酸盐的吸附以物理吸附为主,钢渣以化学吸附为主,而活性炭在前期以物理吸附为主,后期则以化学吸附为主.Elovich方程和双常数速率方程能较好的反映4种基质对磷的吸附动力学特征.pH值的变化对钢渣的吸附性影响不大,沸石在酸性及弱碱性条件下对磷的吸附性相当,活性炭在pH3~13吸附量维持在190mg/kg左右,粗砂在pH3时吸附量达最大,综合而言,在土地处理系统的实际应用中,选取钢渣可获取最佳的除磷效果.     

3种人工湿地基质材料对氨氮的吸附特性

对陶粒、石英砂和砾石这3种人工湿地基质材料进行了氨氮（NH₄⁺-N）吸附特性研究.通过扫描电镜和BET比表面积分析仪对材料进行表征分析,发现陶粒表面相比石英砂和砾石更为粗糙,内部孔隙也较发达,陶粒（18.97 m²·g^-1）比表面积高于石英砂和砾石.在纯氨氮溶液和模拟污水厂出水一级B标准的混合溶液中,3种基质对NH₄⁺-N的吸附能力均表现为：陶粒>砾石>石英砂.陶粒对NH₄⁺-N的饱和吸附容量在混合溶液中最大（63.55 mg·g^-1）.陶粒对NH₄⁺-N的吸附过程符合伪二级动力学模型（在纯氨氮溶液中R²为0.99、在混合溶液中R²为0.98）.在纯氨氮溶液中运用Freundlich和Langmuir模型对等温吸附试验结果进行拟合,发现Freundlich模型（R²=0.93）描述陶粒的吸附特性比Langmuir模型更为精确（R²为0.93）,表明陶粒对NH₄⁺-N的吸附为多层吸附.综上所述,陶粒的吸附容量较强,在混合溶液中吸附容量较纯氨氮溶液增大了31%,适用于作为人工湿地基质填料.     

29种湿地填料对氨氮的吸附解吸性能比较

为筛选出性能更好的人工湿地填料,采用等温吸附-解吸试验,测定了29种天然和非天然人工湿地填料的孔隙率、渗透系数及其对NH₃-N的吸附-解吸特性. 结果表明:锯末、瓷砖、鸡蛋壳、瓷砂陶粒、火山岩等材料的孔隙率较大,瓷砂陶粒、海绵铁、石灰石、页岩陶粒、砾石等材料的渗透系数较大;Freundlich和Langmuir等温吸附方程能较好地拟合各填料对NH₃-N的吸附特征,通过Langmuir等温吸附方程计算,对NH₃-N的理论饱和吸附量居前5位的填料依次是火山岩(1.700 0 mg/g)、瓷砂陶粒(1.620 0 mg/g)、生物炭(1.353 0 mg/g)、沸石(1.350 0 mg/g)、石榴石(1.190 0 mg/g). 吸附速率的变化与填料吸附NH₃-N的途径密切相关. 吸附饱和的生物炭、焦炭、大理黏土、沸石、磁铁矿、石英砂主要通过离子交换作用吸附NH₃-N,稳定性好,解吸率均小于20%;瓷砂陶粒和火山岩对NH₃-N的解吸率分别为24.50%和35.51%,既有物理吸附也有离子交换作用. 火山岩、瓷砂陶粒、生物炭、沸石对较高浓度NH₃-N的吸附效果较好. 研究显示,火山岩、生物炭、瓷砂陶粒、沸石等适合作为人工湿地中吸附NH₃-N的填料.      

垂直流人工湿地MgFe-LDHs覆膜改性基质净化效果研究

选取生物陶粒、无烟煤、沸石3种垂直流人工湿地常用基质,采用金属摩尔比(M2+ : M3+)为2:1的MgCl2溶液和FeCl3溶液在碱性条件下共沉淀即时生成MgFe-LDHs,并将其覆膜于所选3种垂直流人工湿地基质表面;构建模拟基质试验柱,对改性前后的6种基质进行垂直流人工湿地模拟柱净化受污染湖水的小试试验,并进行对比分析.结果表明:该种针对垂直流人工湿地典型基质的MgFe-LDHs覆膜改性方式可行;改性后的3种基质对CODCr、氨氮、总磷的净化效果均有不同程度的提高;其中,无烟煤基质的覆膜改性性能最优,改性后的无烟煤基质对CODCr、氨氮、总磷的平均去除率分别超过了80%、60%和90%.     

垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究

在高水力负荷(2400~3400mm/d)条件下,以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣和生物陶粒为填料,进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验(历时25个月).结果表明,随着系统的运行,各填料对COD的去除能力均有不同程度提高.沸石对污水中氮素的处理能力保持在较高的水平,对TN和NH4+-N的平均去除率分别高达82.03%和91.32%.钢渣对TP和可溶性反应磷(SRP)的平均去除率分别高达89.61%和96.77%,且净化效果稳定;无烟煤第2阶段对磷素的净化能力低于钢渣,之后与钢渣无显著性差异.在垂直流人工湿地中,针对水质特性选择长期高效的填料,如沸石、无烟煤和生物陶粒,在高水力负荷条件下可获得更好的处理效果.     

人工湿地生态工程中基质的筛选及应用研究

文章采用Langmuir等温吸附方程研究了人工湿地基质对磷的吸附能力和基质在人工湿地中的使用寿命,结果显示不同基质对磷的吸附能力差异比较大,其中赤泥对磷的吸附能力最大,铝矿土次之,陶粒和砂子比较低,而以陶粒对磷的吸附能力最低。不同的基质在人工湿地中的使用寿命不同,赤泥可以使用大约3010个月,而陶粒则<6个月。人工湿地基质大致可分为工业副产品、土壤和沙石三类,其中以工业副产品对磷的吸附能力比较高,土壤其次,而沙石则相对较低。Langmuir等温吸附方程可比较不同基质的吸附能力大小并估算其使用寿命,因此,可将它作为一种快速筛选人工湿地基质的方法。     

几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析

通过基质磷素等温吸附、净化磷素污染效果和基质磷素饱和吸附后磷素释放实验,研究了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣7种人工湿地基质净化磷素污染效果和影响因素,并评价了基质磷素饱和吸附后磷素释放可能造成的二次污染风险结果表明:Freundlich和Langmuir等温吸附曲线方程均能很好地描述上述基质磷素吸附过程,其磷素理论饱和吸附量依次为矿渣＞粉煤灰＞蛭石＞表土＞下蜀黄土＞沸石＞砂子.磷素的净化能力依次为矿渣＞粉煤灰＞蛭石＞表土＞下蜀黄土＞沸石＞砂子,模拟污水磷素净化实验也证实矿渣、粉煤灰、蛭石净化磷素污染效果较好,表土和下蜀黄土次之,沸石和砂子净化磷素污染效果较差.矿渣和粉煤灰等钙素含量较高的碱性基质,影响磷素吸附净化效果的主要因素是基质的全钙含量,碱性条件下,基质全钙含量越高,其吸附的磷素越多,净化磷素污染的效果越好.砂子、沸石、下蜀黄土、黄褐土和蛭石等活性胶体氧化铁铝含量较多的中性基质,影响其磷素吸附净化效果的主导因素是其胶体氧化铁的含量,胶体氧化铁能促进基质吸附磷素效应,提高磷素净化能力.基质磷素饱和吸附后磷素释放实验也表明:除砂子基质磷素释放比例较高以外,其它基质磷素释放的比例很低,加强人工湿地基质的管理,上述人工湿地基质一般不会对水体环境造成二次污染.     

常见基质对暴雨径流中磷素去除效果的比较研究

选取沙子、土壤、沸石、白矾石、陶粒、钢渣、石灰石、蛭石和碎石9种常见的基质,通过吸附和解吸实验、静态吸附实验和动态模拟实验,较为系统地研究了这些基质的吸附特性以及去除暴雨径流中低浓度磷素污染物的特性,并分析了影响基质去除磷素的影响因子.结果表明,9种供试基质对磷酸盐的动态去除效率要比其他形态磷高,对磷素的平衡吸附量大小顺序为：沸石、土壤、蛭石 ＞陶粒、钢渣、石灰石 ＞碎石、沙子、白矾石,对磷素的动态吸附能力为：沸石、石灰石、白矾石、土壤＞钢渣、碎石、沙子＞陶粒、蛭石.另外,蛭石、陶粒和钢渣在对暴雨径流中磷素的静态和动态吸附过程中出现了磷释放现象,其它基质对磷酸盐的动态吸附能力较强,去除率介于30%～87%.综合分析以上多种因素,为了去除暴雨径流中的低浓度磷素,沸石、石灰石和土壤是比较理想的工程基质材料.     

不同填料对大肠杆菌去除能力的研究

针对丘陵农村地区水质恶化、经济基础差及污水处理能力有限的状况,目前一般采用人工湿地和自然沟渠综合措施处理生活污水,但迄今仍缺乏针对水体病原菌污染的自然生态去除技术研究。为了筛选适宜去除病原菌的人工湿地填料,选用林地土、旱地土、水稻土、生物炭、无烟煤、沸石和石英7种填料,测定不同填料对大肠杆菌的去除能力,并通过在旱地土添加不同比例生物炭(0%、2%、5%、10%、20%、50%),探讨基于大肠杆菌去除容量与去除成本的旱地土与生物炭颗粒物复合物最佳比例。结果表明:不同填料介质生活污水大肠杆菌去除能力由强到弱依次为生物炭>无烟煤>水稻土>旱地土>林地土>沸石>石英;添加生物炭可增大湿地土壤孔隙度,有效提高单位时间内渗滤污水速率,及大肠杆菌的去除率,特别对大肠埃希氏菌去除效果更加明显;生物炭添加可延迟填料到达吸附饱和的时间,有效增加人工湿地处理容量。综合考虑大肠杆菌去除效率和生物炭添加成本等因素,人工湿地生物炭最优添加比例为20%。     

处理微污染河水的人工湿地中磷的去除特征及吸附形态分布

通过在野外条件下构建两座潜流人工湿地,考察了湿地对微污染水体中磷的净化效果,以及湿地填料对4种主要形态磷的吸附特征.结果表明,湿地对总磷(TP)的平均去除率在30％左右,颗粒性总磷(STP)去除比例略高于溶解性总磷(DTP).两个湿地中TP的出水负荷随其进水负荷的升高线性增大,而磷的单位面积去除负荷与进水负荷呈对数关系,迸水负荷超过1000 g·m-2·d-1后,去除负荷没有发生明显变化.4种主要形态磷的吸附量关系表现为钙镁磷(Ca/Mg-P,12582和11052 mg)＞铁铝磷(Fe/Al-P,5312和5750 mg)＞弱吸附磷(Plabile-P,2054和1207 mg)＞腐殖质磷(Humic-P,-362和-136 mg).湿地3层填料对Humic-P和Plabile-P的吸附能力有限,且伴有解吸现象,而Ca/Mg-P和Fe/Al-P的吸附主要发生在卵石和碎砖层,碎石层对湿地中磷的去除贡献较低.栽种植物对湿地中填料对磷的吸附影响较小.     

给水厂污泥改良生物滞留填料除磷效果的研究

通过静态吸附实验研究了土壤、给水厂污泥对磷的吸附特性,采用生物滞留模拟柱,考察生物滞留技术对城市径流中磷的去除效果,评价以给水厂污泥改良填料的可行性.结果表明,给水厂污泥对磷的吸附能力远大于土壤.在进水磷浓度为1.0 mg·L-1条件下,传统填料模拟柱出水总磷随着进水量的增加浓度逐渐增大,而改良填料模拟柱表现出稳定的长期去除效果,经7个月的连续运行,改良填料模拟柱出水总磷的浓度仍小于0.050 mg·L-1,满足地表水Ⅲ类水质标准.根据静态吸附实验估算结果,相同的控制条件下,添加4%给水厂污泥的改良填料对磷的吸附能力约为传统填料的4倍.无定型铁铝的沉淀、吸附作用是改良填料截留进水中磷的主要机制,工程应用中可在填料中添加4%~5%比例的给水厂污泥以提高生物滞留设施控制受纳水体富营养化的效果.     

层状双金属氢氧化物覆膜改性人工湿地无烟煤基质除磷

分别选取MgCl2、ZnCl2、CaCl2、CoCl3、FeCl3、AlCl3等6种金属化合物合成9种不同类型层状双金属氢氧化物(LDHs),利用其对垂直流人工湿地无烟煤基质进行LDHs覆膜改性;构建模拟基质试验柱,对改性前后的无烟煤基质进行模拟垂直流人工湿地净化污水试验.结果表明:相对于原始无烟煤基质,各种LDHs覆膜改性基质对总磷、溶解性总磷、颗粒态磷和磷酸盐的去除率均有不同程度的提高;Zn2+参与合成的改性基质对总磷、溶解性总磷、颗粒态磷和磷酸盐均有很好的去除效果,其中ZnCo-LDHs和ZnAl-LDHs改性基质对总磷和溶解性总磷的平均去除率超过95%,对磷酸盐平均去除率达到98%以上.     

钢渣对水体中磷的去除性能及机制解析

针对不同类型钢渣在除磷过程中存在的显著差异,以电炉渣为研究对象,探讨了环境因素（吸附时间、吸附温度）对钢渣除磷的影响,验证了其对磷酸盐、焦磷酸盐及实际水体的除磷效果,联合采用扫描电镜（SEM）、能量色散X射线能谱（EDS）、X射线荧光光谱（XRF）和X射线衍射光谱（XRD）技术探究其除磷机制,对比分析了钢渣与陶粒和沸石的除磷效率,并对钢渣除磷的安全性能进行了评估.结果表明,吸附时间显著影响钢渣除磷效果,当吸附时间为30 min时钢渣对质量浓度范围为1~20 mg·L^-1的磷酸盐溶液的去除率均可达到97%以上.温度对实验所用钢渣的除磷效果影响并不显著.钢渣对焦磷酸盐吸附能力弱于正磷酸盐,其对初始质量浓度为3 mg·L^-1的焦磷酸盐的去除率为82.45%.光谱分析结果表明,钢渣除磷的主要机制为化学吸附并辅以物理吸附,CaHPO₄·2H₂O为主要沉淀物质.钢渣对生物池出水和湿地系统中的磷素去除效果显著,总磷去除率分别为98.36%和93.33%.对比可知,钢渣对磷酸盐的去除效果优于陶粒和沸石,其对PO₄^3-的去除率分别为96%、40%和10%.钢渣浸出液中各重金属含量均符合地表水Ⅰ类标准要求,钢渣安全可靠.     

化学铁盐辅助除磷对生物除磷的影响研究

化学辅助除磷有助于污水厂实现磷达标,但其对生物系统存在潜在的影响。针对除磷药剂对生物除磷过程的影响展开研究,选用硫酸亚铁进行化学辅助除磷。药剂形成的化学污泥干扰生物除磷过程且成分复杂,故以磷酸铁、氢氧化铁模拟化学污泥,由钾离子、K/P摩尔比计算出同步除磷中的生物除磷,来探讨化学污泥对聚磷菌释磷/吸磷过程的影响。结果表明,连续投加硫酸亚铁使聚磷菌的释磷量、吸磷量降低;系统中磷酸铁含量0.075 mmol/L时聚磷菌的释磷和吸磷能力提高了约25%,磷酸铁含量0.15 mmol/L时对聚磷菌吸磷有抑制作用;氢氧化铁对聚磷菌释磷、好氧初期吸磷均有抑制作用。生物污泥与化学污泥存在交互作用。     

人工湿地基质除磷影响因素研究进展

基质除磷被认为是人工湿地中磷去除的主要方式。人工湿地基质除磷不仅受其自身化学特性的影响,还受到废水磷负荷、水力条件、运行方式、温度、溶解氧、pH、竞争性离子等的影响,结合国内外的最新研究进展较全面地论述了上述因素对基质除磷效果的影响。最后对吸附饱和基质的去向进行了一定的探讨。     

改性凹凸棒土覆盖抑制底泥磷释放的影响和效果

采用等温吸附实验和动力学实验,考察了改性凹土对磷酸盐的吸附特性.研究了无覆盖层、沙土覆盖和改性凹土覆盖对底泥总磷释放的抑制效果,并分析了不同覆盖层厚度、温度和粒径等因素对改性凹土抑制底泥总磷释放的影响.研究结果表明：Freundlich方程式能较好地描述改性凹土对磷酸盐的等温吸附行为,可决系数R2在0.98以上;改性凹...     

不同类型LDHs覆膜改性人工湿地生物陶粒基质脱氮效果研究

在碱性条件下采用水热-共沉淀法,对二价金属化合物CaCl2、MgCl2、ZnCl2与三价金属化合物FeCl3、AlCl3、CoCl3按两两组合方式生成9种不同类型的LDHs,并分别对人工湿地常用的生物陶粒基质进行覆膜改性;构建模拟基质试验柱,对改性前后的生物陶粒基质进行城市污水的脱氮净化效果研究.结果表明,相对于原始生物陶粒基质,大多数改性基质对CODCr、总氮和氨氮的去除效果均有不同程度的提高,经所有基质处理后的出水中硝态氮浓度均呈上升趋势;Zn2+参与合成的LDHs改性基质对总氮、氨氮有较好的处理效果,其中ZnFe-LDHs和ZnCoLDHs对TN的去除率接近60%,对氨氮的去除率超过92%,这两种改性基质对污水中的氨氮转化为硝态氮具有促进作用.