（环境科学专业论文）介质渗滤池控制降雨径流磷污染的初步研究.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 3 小试实验结果表明，以复合介质构建的渗滤池对磷的去除效果受降雨条件( 降雨量、降雨强 度和降雨间隔等) 影响，高冲击负荷引起系统对磷去除率的明显下降，降雨间隔与去除率存在着极 显著的相关关系。随着使用时间的延长，去除率有降低的趋势，系统的优化还有待进二步研究。 关键词：介质：磷：吸附；降雨径流；渗滤池 h 西南大学硕士学位论文 摘要 p r e l i m i n 哪s m d yo n c o n t r o lo fr 吼o f f p h o s p h o m sb yi n 丘l t r a t i o nt a m k a p p l i c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：w r a n gd o n g s u p e r v i s o r ：p r o z | h a n gj i n z h o n g p r o fz h ub o a b s t r a c t h l n u e n c eo f 1 1 p o 缸p 0 u u “o no nm ew a t e rq u a l 时a p p e 躺0 b 、，i o u s l ya 船re 彘c t i v ec o n 仃0 l 锄d 删l a g e m e n to fp o i n tp o i l u t i o n 1 1 1 e 陀s e a r c h e s 缸忸m 锄yc o 吼t r i e s 锄dz o n e si r 湎c a t e dt l l a t n p o i i l t p o l l u t i o ni sm ep r i n c i p a lc a u s a t i o ni n d u c i n ge u 仃c i p l l i c 撕。i ti sv e 巧d i 伍c u l tt op r e v t 粕dc 伽仃0 1 n o n 御i i l tp o l l u t i o nb e c 跏s en 伽p o i n tp o l l u t 柚t sh a v es o m ec h 盯孔t e r i s t i c so fd i s p e 璐i v eo r i g i i l ，v 撕e t yo f c 彻t a i n i n 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lr e l a t i o n s h i p b e t w e 饥m er e m o v a lm t e 甜l d 豫i n f a l li n t e a 1 1 1 1 er e m o v a lr a t ed e c 陀弱e sw i t l lt l l e 惦et i i i 圮i l l c 他鹤i n g ， w h i c hn e e db es t u d i e di nm em t i i r e k e y w o r d s ：m e d i u m ；p h o s p h o r o u s ；a d s o r p t i o n ；r a i n s t o r mr u n o 尬i n n l t r a t i o n - t a n k i v 独创性声明 学位论文题目： 企厦滏遗鲨控制隆匝径速蹙透基数翘生叠究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注。 对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确 说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：工各 签字日期：沙5 年占月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口保密 期限至年月止) 。 学位论文作者签名：五冬导师签名： 蠢妖j 匕每 签字日期：秒8 年6 月口日 签字日期：a 呕年月钼 西南大学硕士学位论文 文献综述 第1 章文献综述 水是生命之源，保护好水环境是保障农业生产和城市经济可持续发展的基础。然而，近年来水 环境不断恶化，水生态系统功能退化，水体富营养化现象已日益严重。水体富营养化造成水中藻类 物质大量繁殖，溶解氧锐减，严重破坏了水体生态系统，威胁水生生物的生存和人类健康。富营养 化污染已成为目前世界各国共同面临的重大环境问题。富营养化的主要原因是由于排入水体的氮、 磷等营养物质过多所致。 随着经济发展和城镇规模的扩大，人民生活水平的提高，对资源的不断开发，各种污染物通过 生产废水和生活污水进入水体，也就是所说的点源污染。通过严格的管理，污染治理水平的提高， 点源污染已得到明显的控制，但对城镇垃圾、农田化肥和农药等随雨水产生的地表径流进入水体的 非点源污染没有引起足够的重视。非点源污染是造成水体富营养化的主要原因之一。研究表明，污 染物约有一半以上来自农村非点源，包括农业污染、分散的养殖业污染和村镇污染等，它们通过降 雨径流进入水体。污染负荷随着农民生产和生活水平的提高正在迅速加大，而能截留污染的湿地和 岸边植被等在迅速退化。目前，我国的非点源污染形势十分严峻。 1 1 非点源污染及其特点 随着人类经济活动的不断发展，水环境污染已成为全球性问题。按污染的发生类型。将水环境 污染分为点源污染和非点源污染。非点源污染是指溶解的或固体的污染物从不特定的地点，在降雨 径流的淋洗和冲刷作用下汇入受纳水体，而引起的水体污染，也可称为降雨径流污染，是发生在整 个空间范围内的污染问题【，是由于降雨、地表径流、排水、渗流和水文特性改变或大气沉降产生 的。非点源污染对区域生态环境和人类健康形成了严重的危害，主要可分为3 个方面：一是淤积水 体，降低水体生态功能；二是引起水体富营养化，破坏水生生物的生存环境；三是污染饮用水源， 危害人体健康。一般认为，非点源污染有以下特点： ( 1 ) 非点源污染物在进入地表水或下渗到地下水之前，主要产生在广阔的土地上并在地面迁移； ( 2 ) 非点源污染很难或者不可能在其起源处监测。与点源相比，非点源污染的监测更为困难、 复杂和昂贵。污染过程监测是在地面进行而不是在水中，无法用排放标准进行限制； ( 3 ) 非点源污染的范围与不可控的气候事件和地质地理条件相关，污染负荷的时空变化幅度大， 其产生具有随机性； ( 4 ) 非点源污染的治理集中在土地和径流管理措施； ( 5 ) 非点源污染物可能是由大气污染物沉降或输移形成的，目前主要关注的污染物为泥沙、营 养物和有毒物质等； ( 6 ) 点源污染产生的危害主要发生在枯水期，而非点源污染产生的危害却主要发生在降雨初期。 西南大学硕士学位论文文献综述 1 2 农村非点源污染及其类型 农村非点源污染是指在农村生产生活活动中，在降水或灌溉作用下有机或无机污染物质通过地 表径流、农田排水和地下渗漏，从非特定的地点汇入受纳水体( 包括河流、湖泊、水库和海湾等) 并引起水体的富营养化或其它形式的污染【孙。 来自农村非点源污染的主要污染物包括营养物质( n 、p ) 、沉积物、盐分和农药等，这些污染 物的来源极为广泛。大量研究表明，化肥和农药的使用是造成水体污染和富营养化的最主要原因， 在美国由于非点源污染引起的地表水污染事件不胜枚举，每年生产约5 亿吨农药，其中7 0 用于农 田。我国由于非点源污染引起的湖泊水库富营养化问题也非常严重，如在巢湖、演池。三峡库区的 统计资料也表明，9 0 的悬浮物来自农田径流，n 、p 大部分来源于农田径流，可见农村非点源污染 源在水体污染中占据重要地位。 ( 1 ) 地表径流 降雨导致地表径流，并造成表土流失，这是非点源污染最主要的来源。地表径流包括透水性地 表径流和非透水性地表径流。非透水性地表主要指城区，透水性地表主要指农村地区、矿山、林地、 草地等。 ( 2 ) 十壤侵蚀和流失 土壤侵蚀和流失也是非点源污染的一个重要来源，对水体产生影响的主要是悬浮颗粒物，而悬 浮物在水中会释放出一些溶解态污染物。土壤流失的强度取决于降雨强度、地形地貌、土地利用方 式和植被覆盖率等。水士流失挟带着泥沙、有机物和金属等污染物进入地表水体，进而污染水环境。 我国的水土流失极为严重，据统计每年流失表土至少5 0 亿吨，数百万吨的氮、磷、钾通过各种途径 进入地表水体，造成严重的水体污染和大量盐分的流失。 ( 3 ) 化肥 据统计，现代农业产量至少l ，4 是靠化肥获得的。由于化肥在作物增产中的重要作用，长期以 来我国化肥的生产和使用一直在增长，从建国初期的0 6 万吨增加到现在的4 1 2 4 万吨，目前化肥施 用量平均为4 0 0k g l 啪2 ，己成为世界上化肥施用量最多的国家之一1 3 1 。淮河流域平均用量4 1 5k 矿蛐2 ， 太湖流域为6 0 0k 耐。盲目和过量施用化肥，使化肥带来的环境污染日益突出。实际上，我国每 年农田养分被植物利用的部分很少，我国氮肥的利用率仅为3 0 r 3 5 ，磷肥为1 0 一2 0 ，钾肥为 3 5 哆扣5 0 1 4 卯。火量末被利用的化肥通过径流、淋溶和反硝化等方式污染了地表水环境。 ( 4 ) 农药 我国生产农药品种2 5 0 多种，成为仅次于美国的世界农药生产人国。据统计，我国每年施用的 农药达5 0 ，6 0 万吨，其中约有8 0 的农药直接进入环境1 6 l ，农药污染已成为影响范围最大的一种有 机污染。据调查。喷施的农药是粉剂时，仅有1 0 左右的药剂附着在植物体上；若是液体时，也仅 有2 0 左右附着在植物体上，i q 接触到目标害虫，其余4 0 。6 0 降落到地面，5 一3 0 的药剂 漂游于空中。空气中的农药又可通过降水返回地表，通过地表径流污染水环境。 2 西南大学硕士学位论文 文献综述 ( 5 ) 农业废弃物 农业废弃物包括农田中秸杆残茬、农村居民生活垃圾、生活废水、人畜禽粪便和田间农膜残片。 据研究，我国作物秸秆燃烧的碳总量为1 0 4 8 9 万吨，甲烷生产量为0 5 弘1 “t g ，n 2 0 产生量为 0 0 0 8 2 o 0 2 9 7t g 川。 我国禽畜养殖业在近2 0 年有着长足的发展，由农民个体家庭饲养逐步走向集约化养殖模式。集 约化养殖对环境的污染主要表现在两个方面：一是少量畜禽粪便直接排放到环境中；二是大量的畜 禽粪便作为有机肥料施用到农田中。与化肥比较，畜禽粪便中盐分含量低，但运输成本高，致使大 量的畜禽粪尿都集中施在数量有限的农田中，往往造成大量盐分得不到充分利用，从农田流失到水 体中。事实上，许多发达国家由于畜禽粪便造成的非点源污染比化肥更严重【引。另外，长期使用农 膜覆盖技术可造成农膜残片大幅增加，严重影响植物根系的生长发育、水肥的运移，造成土壤退化。 1 3 磷在水环境中的非点源污染 1 3 1 磷与水体富营养化 水体富营养化指的是在人类活动的影响下，生物所需要的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、水 库和海湾等缓流水体，引起藻类和其它浮游生物迅速繁殖而造成的水质恶化现象。磷的输入能增加 地表水的富营养化程度，氮磷营养盐的改变会导致浮游植物群落结构的改变。当湖泊水体中氮磷浓 度比在1 0 ：l 至2 5 ：l 的范围时，藻类生长与氮磷浓度存在线性相关关裂引。当水体中磷素供应充足时， 有利于藻类生长，促使水体迅速向富营养化方向发展。除与n p 比值有关外，磷对水体富营养化的 作用还受季节的影响，有人认为8 9 月份磷为湖泊藻类生长的限制因子，其它时期磷没有限制作用。 含有肥料的农业径流、含富磷洗涤剂的污水、动物粪便和人体排泄物是导致河流和湖泊发生富营养 化、海湾和近海海域产生赤潮的主要原因。另外，底泥中磷的释放也是水体富营养化的一个重要原 因。 我国的地面水环境质虽标准( g b 厂r 1 4 8 4 8 9 3 ) 规定，为防止水质富营养化，湖泊、水库等封闭 性水域无机态总磷为0 0 0 2m g ，l ( i 类水) 、o o lm g ，l ( 类水) 、0 0 2 5m g ，l ( 1 i i 类水) 、0 0 6m g ，l ( 类水) 和0 1 2m g l ( v 类水) 。一般认为，当湖泊、水库和塘坝中的总磷浓度 0 0 2m g ，l 。全 氮浓度达o 2 0 5m g l 以上时，即被视为富营养化水体【l o 】。s h a 聊l y 认为，进入受纳水体的总磷量 不超过o 0 5m g ，l ，受纳水体中的总磷量不超过0 0 2 5m g l ，才能控制水体的富营养化。 1 3 2 水体中磷的来源及存在形式 水体中磷的来源主要有两方面：一是天然的，如从天然降水中接纳氮磷等营养物质，从地表士 壤的侵蚀和淋溶中得到氮磷物质；二是人为的，如城市中人们排放出的含有大量氮磷营养物质的生 活污水进入水体。农业施用化学肥料和牲畜粪便经雨水冲刷和渗透，最终进入水体。据调查分析， 水体中磷元素主要来源于农业施肥、水土流失、工业废水不达标排放、养殖废渣液、人畜排泄和含 磷洗涤剂等。 3 西南大学硕士学位论文 文献综述 一般来说，废水中磷以正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在。由于废水来源不同，总磷及 各种形式的磷含量差别较大，比如典型的生活污水中总磷含量在扣1 5m g ，l ( 以磷计) 【】；在新鲜 的原生活污水中，磷酸盐的分配大致如下( 以磷计) ：正磷酸盐5m g l ，三聚磷酸盐3i i 虮，焦磷 酸盐lm g l 和有机磷 9 5 时，磷主要以h p 0 4 2 存在，c a 2 + 与h p 0 4 2 容易形成非晶体的c a 3 ( p 0 4 ) 2 沉淀： 3 c 一+ + 2 0 h + 2 h p 0 4 z 。= c a 3 ( p 0 4 ) 2 i + 2 h 2 0 所生成的c a 3 ( p 0 4 ) 2 可进一步转变成稳定的羟基磷酸钙沉淀( c a 5 ( o h ) ( p 0 4 ) 3 ) ，反应方程式如下： 5 c a 2 + + 4 0 h + 3 h p 0 4 小= c a 5 ( o h ) ( p 0 4 ) 3 l + 3 h 2 0 一般认为，有利于羟基磷酸钙形成的p h 范围在1 0 争1 1 4 ，因此当用c a o 含量丰富的介质，如 电炉渣、转炉渣等处理含磷污水时，出水的p h 值往往偏高【3 引。 当水体在中性或酸性条件时，主要是f c ”、a l ”与磷酸根离子之间的反应，分别形成a l p 0 4 和 f e p 0 4 沉淀3 9 1 ，反应方程式如下： f e 3 + + h ，0 4 2 一f e p 0 4 j r + i i h + a l ”+ h 。p 0 4 玉一a l p 0 4 l + n h + 其中，铁磷酸盐在p h 6 2 时溶解度较低；铝磷酸盐是两性物质，在p h 为6 2 8 1 时，其溶解 度较低，肖p h 9 0 时溶解度逐渐增加。 介质中的铁、铝氧化物进入水体后，在其表面结合配位水形成水合金属氧化物和氢氧化物，即 、 介质界面上有人量- o h 基团，这些o h 基团或单独存在或互相缔合，使介质界面成为羟基化界面。 磷酸根离子可与金属离子的配位基进行交换而被吸附。例如，在p h 5 1 时，针铁矿与磷酸根离子 之间的吸附反应可表示为【删： f e 2 0 3 + 3 h 2 0 = 2 f e ( o h ) 3 f e ( o h ) 3 + h p 0 4 2 = f c p q + o h + 2 h 2 0 对于铝氧化物，相应的吸附反应可表示为： a 1 2o _ 3 + 3 h 2 0 = 2 a l ( o h ) 3 a l ( o h ) 3 + h p 0 4 2 。= a l p 0 4 + o h + 2 h 2 0 可以看出，这些吸附反应的结果常常会引起体系p h 值的增加。 与铁、铝、钙氧化物相比，有关镁氧化物除磷作用机理的研究较少。一般认为，与铁、铝氧化 物相似，溶液中的磷酸根离子也可以通过配位体交换与m 矿+ 发生反应。因此，一些含镁较高的物质， 8 西南大学硕士学位论文文献综述 如半燃烧的白云石、蛇纹石等，都有较好的除磷潜力【4 l 】。 1 5 3 影响介质除磷作用的主要因素 ( 1 ) 介质理化性质 介质吸附除磷能力的大小与其自身的理化性质关系密切m 】。首先，介质中铁、铝、钙、镁等活 性物质的含量是决定其除磷能力的关键因素。铁、镁、钙、铝含量高的介质，如飞灰、铝土矿、电 炉渣和转炉渣等，容易通过配位体交换与污水中的磷酸根离子发生吸附和沉淀反应，具有很强的吸 附除磷能力。而活性物质含量低的介质，如砾石、石英砂等，其除磷能力较差。但是通过改性处 理后，可以在一定程度上提高介质中活性物质的含量。例如天然沸石是一种硅铝酸盐矿物，本身带 有负电荷，故吸附磷酸根等阴离子的能力较差；与混合溶液改性处理后，溶液中的取代沸石格架中 硅的位置，使沸石中铝含量增加。m 9 2 + 一方面补偿铝取代硅造成的负电荷过剩，另一方面与孔道中 的k + 、n a + 和c a 2 + 等进行离子交换，疏通了沸石内部的孔道，从而使沸石的除磷能力大大提高，用 它处理富营养化的公园湖泊水样，取得了很好的效果【4 引。 值得注意的是，介质的化学组成与其来源有关，不同来源的同类介质，其除磷能力会有一定差 异，有时甚至差异很大。a r i 镐等分析了丹麦1 3 个地区沙子的化学组成特征和吸附除磷能力，得 出无论沙子的化学组成还是吸附除磷能力都存在很大差异。因此，在选择吸附介质时，对其除磷能 力评价是十分必要的。 其次，介质的比表面积、粒度分布和孔隙率等物理性质也是影响其吸附除磷能力的主要因素。 粒度大小和孔隙率高低对吸附剂的比表面积和吸附质的扩散速率都有影响，粒度越小，孔隙率越高， 吸附剂的比表面积越入，吸附质的扩散速率也越大，对吸附越有利。m 蜘锄等【删发现，坡缕石经1 m o l lh c l 处理后，其比表面积明显增大，增幅在2 5 5 1 3 6 2 ，原因在于h c l 使坡缕石的内部结 构发生了变化，其中八面体的阳离子和四面体的硅被部分溶除，从而使坡缕彳i 内部空隙更加发育， 孔道更加畅通。 此外，还有学者考察了介质形态结构对其吸附除磷能力的影响。例如k o s t 呦等1 4 5 l 比较了晶体 和非晶体两种高炉渣对水溶液中磷的吸附能力。发现尽管它们的化学组成十分接近，但磷吸附容量 却有很大差异，晶体高炉渣的磷吸附容量为1 8 9 4m g g ，而非晶体高炉渣的磷吸附容董仅为6 7 4 n 砒，原因在于两者形态结构的差异导致了比表面积的差异，晶体高炉渣的比表面积为0 6 5 2m 2 g ， 而非晶体高炉渣的比表面积仅为o 5m 2 ，g 。吸附除磷过程中，介质的用量对除磷效果也有影响，起初 随着介质用量的增大，除磷效率迅速提高，然后除磷效率增加缓慢，当介质用量增加到一定程度后， 其除磷效率逐渐趋于稳定。 ( 2 ) p h 值 p h 值决定了无机磷酸盐在水体中的存在形式。图1 1 反映了不同p h 值条件下，水体中无机磷 酸盐的分布情况。 9 西南大学硕士学位论文 文献综述 0 123456 p h 7 891 0l l1 21 3 p h 图1 1 无机磷酸盐在不同p h 值条件下的分布 f i g 1 1p h o s p h a t ed i s t r i b u t i o na td i f 曩e r e n tp h v a l u e s 可以看出p h 值在4 1 0 之间时，磷酸盐主要h p 0 4 厶、h 2 p 0 4 2 。形式存在：当p h 1 2 5 时，主要以p 0 4 3 形式存在。不同形态磷酸盐之间可以互相转化， 相应的方程式为【4 6 j ： p 0 4 3 + h 2 0 = h p 0 4 2 。+ o h 。 p 局l = 1 6 8 h p 0 4 小+ h 2 0 = h 2 p 0 4 。+ o h 。p j = 6 7 9 h 2 p 0 4 2 + h 2 0 = h 3 p 0 4 + o h p k 0 = 1 1 6 7 h 2 0 = h + + o h 峨= 1 4 其次，在固液体系中溶液的p h 值还会影响介质表面的化学特征，引起介质表面吸附位数量、 形态和电荷分布的变化。随着溶液p h 值的降低，介质表面正电荷增加，因而能够吸附更多带负电 荷的磷酸根离子。相反，随着p h 值的增加。一方面，介质表面负电荷增加，进而对水体中的磷酸 根离子产生一定的排斥作用；另一方面，p h 值的增加即溶液中o h 浓度增大，o h 。与磷酸根离子之 间存在竞争吸附作用，一起争夺介质表面的活性吸附位，从而使介质对磷的吸附量降低1 4 4 j 。 第三，溶液的p h 值对介质中金属离子的活性也有影响，它可以影响介质表面水解产物的类型 和浓度。在酸性和中性条件下，f e 3 + 、a 1 3 + 能够与水体中的磷酸根离子结合形成稳定的化合物，是控 制介质除磷能力的主要因素。当水体中溶解氧浓度降低时，f e 3 + 在水体会被还原为f e 2 + ，由于f e 2 + 与磷酸根离子所形成化合物的溶解度较人，导致部分磷会被释放出来。在中性和碱性条件下，c a + 与磷酸根离子结合形成c a - p 沉淀，此时介质中活性c a o 含量的高低成为除磷能力的决定性因素4 7 1 。 ( 3 ) 温度 温度对吸附作用的两个阶段( 颗粒外部扩散阶段和颗粒内部扩散阶段) 都有影响。在吸附作用 过程中，溶液中溶质首先需要克服吸附剂颗粒周围液膜的阻力，扩散到吸附剂的外表面，然后才能 l o 0 8 6 4 2 l 0 0 0 o 西南大学硕士学位论文 文献综述 向吸附剂的细孔深处扩散。当温度升高时，不仅使得溶液中磷克服介质表面液膜阻力的能力增强， 而且有利于介质表面吸附的磷沿介质微孔向其内部迁移，使可供使用的表面吸附位增多。a g y e i 等【4 8 】 考察了飞灰、矿渣和普通水泥在不同温度下对溶液中磷的吸附去除效果，发现当溶液从2 5 0 c 升高到 6 0 0 c 时，3 种介质的除磷效率都有不同程度的提高。 另一方面，温度还对吸附剂本身的溶解性和化学吸附潜能有影响。随着温度的升高，若吸附剂 自身的溶解度增大，化学吸附潜能降低，则其吸附能力就降低：反之，若温度升高，吸附剂的溶解 度减小，化学吸附潜能增加。就表现为吸附能力的升高4 9 1 。u g u d u 等【5 0 1 研究了不同温度条件下，飞 灰对溶液中磷的吸附去除情况，发现室温下3h 内，从飞灰中溶出的c a 2 + 浓度为8 8 0m g ，l ：升高温 度至4 0 0 c 时，所溶出的c a 2 + 浓度略有降低( 8 6 0m g ，l ) ；继续升温至5 0 。c 时，c a 2 + 的浓度降低至 6 4 0 m g ，l 。所以，5 0 0 c 条件下，飞灰的吸附除磷能力明显降1 酝 ( 4 ) 水体磷浓度 水体的磷浓度是影响吸附作用的主要因素之一。首先，溶液浓度越高，可供介质吸附的磷越多 其次；溶液浓度越高，溶液本体与介质外表面液膜之间的浓度差越大，导致磷向介质表面迁移的动 力增大，因此，随着水体中磷浓度的增加，介质对磷的吸附增大。许多学者都曾考察过溶液磷浓度 变化对介质吸附除磷作用的影响。b u b b a 等人的研究表明：溶液磷浓度从2 5m g ，l 逐渐升高到3 2 0 m g ，l 时，达到吸附平衡后，石英砂的磷吸附容从4 1p 咖g 增加到1 0 lp g m g ，但从除磷效率来看， 当水体中磷浓度增大到一定程度后，介质的除磷效率开始降低【5 。 ( 5 ) 作用时间 在介质渗滤系统中，污水与介质相互作用的时间，即水力停留时间( h r t ) ，是影响系统建造 和运行的关键参数。实践表明，延长停留时间，可以提高污水的处理效率；但是停留时间过长，就 会大大降低介质的处理能力。因此，在构建介质渗滤系统时，选择适宜的停留时间是十分必要的。 就介质吸附除磷作用而言，在吸附作用的起始阶段，随着作用时间的延长，介质的除磷效率会显著 提高。当污水中磷浓度降低到定程度后。吸附作用逐渐趋于平衡，延长作用时间对提高除磷效率 贡献不大。通过考察不同停留时间条件下，吸附柱的吸附除磷效果可以估算相应介质渗滤系统的停 留时间。也有学者通过介质对磷的吸附速率来估算停留时间。 1 5 4 介质吸附除磷模型 吸附等温模型是用来描述在一定温度条件下，当吸附达到平衡时，单位质量吸附剂吸附溶质的 量与平衡溶液浓度之间关系的。在介质吸附除磷作用研究中，常用l a n 肿u i r 方程和f m 蚰d l i c h 方程 来比较不同介质的吸附除磷能力【4 2 4 7 5 2 5 3 1 。 l a n 卸吣i r 方程的表达式为： x ：竖 ( 1 1 ) l + 七c 其线性表达式为： 西南大学硕士学位论文文献综述 要= 丢+ 击 c 他， 一= 一十一 ii - z - x x 。k xm 、? 式中：c 为吸附平衡时溶液磷的浓度( i i 虮) ，x 为平衡吸附量( m g k g ) ，为理论最大吸附量， 七为与结合能有关的常数。 f 坨u n d l i c h 方程是一个经验公式，是用含有两个常数项的指数方程来描述吸附等温过程，其表达 式如下： x = 肥p ( 1 3 ) 相应的线性表达式为： l g x = 刀l g c + l g 七( 1 4 ) 式中：七和，l 为常数。x 和c 的定义与l a n 鲫眦i r 方程一致。l n 值一般在肛l 之间，反映介质的吸 附强度；七值反映介质的吸附吸附能力。 由于介质吸附除磷过程的复杂性，l a n 伊珊i r 方程和f 佗帅d l i c h 方程都不能揭示介质的吸附除磷 机理，但都可以用来描述介质对磷的吸附等温特征【5 2 5 3 1 。l 肌肿曲方程还可用来估算介质对磷的理 论饱和吸附量f 4 扪，进而可比较不同介质的吸附除磷能力“】。例如，m 撇等1 5 3 1 测得页岩、高炉渣和 飞灰对磷的理论饱和吸附量分别为6 5 0 7 0 0m 眺g 、4 3 0m k g 、2 4 0 0m g ，k g 。d r i z 0 等心1 比较了矾土、 页岩、燃烧过的油页岩、石灰石、沸石、l e c a 和飞灰对磷的吸附，7 种介质对磷的理论饱和吸附量 依次为：飞灰石 灰石页 页岩 矾土 燃烧过的油页 沸石 l e c a 。b u b b a 等【5 1 1 测得丹 麦1 3 种不同地区砂子对磷的理论饱和吸附量在2 0 1 2 9p g m g 之间。 值得注意的是，介质对磷的l 肌鲫眦i r 理论饱和吸附昔并不能准确反映其在人工湿地中的除磷能 力阢5 5 1 。一些学者指出，在人工湿地系统中介质的吸附除磷能力大于其理论饱和吸附量【5 6 5 7 1 ，在人 ：【湿地实际运行过程中，介质的表面吸附位可以获得再生，这是因为吸附在介质表面的非晶形沉淀 会逐渐向晶形沉淀转变，这一过程将会产生新的活性吸附位。例如，b a l c e r 等5 8 1 在研究方解石的吸 附除磷作用时，就曾观察到磷酸钙的成核和沉淀现象。相反，硒c l 脚也则认为，介质对磷的理论 饱和吸附量过高地估计了相应人工湿地对磷的滞留能力。因为在人工湿地中，介质的不均一性和短 流现象经常存在，即使在较低的水力传导条件下，污水中的磷也不能与介质进行充分的接触。因此， 介质表面的活性吸附位并不能得到充分利用，导致人工湿地除磷能力的降低【”】。鉴于此，用介质的 理论磷饱和吸附来估算人工湿地的使用寿命也是不准确的。 除l a n g m u i r 方程和f 陀明d l i c h 方程外，其它吸附等温模型如表l l 所示。 1 2 西南大学硕上学位论文文献综述 表1 1 其它吸附等温模型h 2 】 t 曩b l el lo 也e ri s o t h e r 姗la d s o r p t i o nm o d e b 注：x 为介质的磷吸附量( 呐) ，为单分子层吸附量，c 为平衡浓度，其余为常数 由于l a n 倒n l j i r 方程和f 托啪d l i c h 方程均不能准确评价人工湿地系统中介质的吸附除磷潜力，人 们开始寻求更好的研究方法。近年来，有学者提出通过吸附等温模型研究，筛选出磷吸附容量高的 介质，进行吸附穿透试验，即在进水浓度一定的条件下，吸附柱连续运行，通过考察吸附柱出水中 磷浓度随时间的变化情况，对介质的吸附除磷能力进行评价。在此基础上，分析估算相应人工湿地 的除磷效果和使用寿命。吸附穿透曲线就是在此基础上发展起来的，它是片 来描述吸附柱长期运行 过程中，出水磷浓度随时间或处理水量的变化情况的。 目前利 】吸附穿透曲线来考察介质吸附除磷能力的研究逐渐增多，例如一些学者分别开展了飞 灰、牡蜘壳、湿地土壤和硅灰石对磷的吸附穿透研究，并对它们的除磷能力进行了评价5 0 5 5 6 3 ，叫。显 然，运用吸附等温模型和吸附穿透曲线相结合的方法来评价人工湿地基质的吸附除磷潜力更加接近 人工湿地的运行实际，因而逐渐受到了人们的重视。 1 5 5 介质滤料的选择 滤料是微生物生长栖息的场所，理想的滤料应具备下述特性：具有较大的比表面积；有 足够的空隙率，保证通风；具有较好的化学稳定性，有一定的机械强度：价格低廉【6 5 】。另外， 滤料的粒径选择也十分重要，粒径小的填料容易堵塞，粒径大的滤料往往又达不到预期的处理效果。 1 3 西南大学硕士学位论文 文献综述 微污染原水过滤常用的活性炭、石英砂等滤料由于粒径太小，容易堵塞，需要复杂的反冲洗设备和 专业的运行维护工作，并不适用于本研究，本研究主要考虑粒径规格在0 2 5 1 0m m 范围内的滤料。 研究发现，许多天然无定形物质( 如高岭土、膨润土和天然沸石) 及工业炉渣( 如高炉炉渣和电厂 灰) 等，都对水中磷酸根离子具有一定的吸附作用。同时，很多学者致力于研究现有滤料的表面特 性，以期获得更佳的处理效果。每种填料性能各有优缺点，应根据具体原污水的水质情况和经济分 析结论进行选择，以充分发挥滤料的作用。为了综合发挥各填料优势，往往采用多种填料，填料级 配十分重要，以有效去除各种污染物质，同时避免堵塞，延长运行周期。有研究表明在常用粒径范 围内，粒径略大或略小。对过滤效果没有明显的影响【6 5 1 。以下是对几种滤料的比较： ( 1 ) 沸石 沸石是一族架状构造的含水铝硅酸盐矿物，主要化学成分是s i o ：，其内部有着宽阔的空洞和孔 道，占据着k 、c a 等阳离子和水分子，当经过烘烧脱水后，结晶格架不会被破坏，从而形成内表面 很大的孔穴。因此，沸石具有高效吸附性能和离子交换性能，耐酸性和热稳定性，可作为理想的生 物载体。孙家寿6 6 6 7 1 的静态吸附实验表明，此吸附剂可将废水中的磷降到o 5m g ，l 以下。磷的去除 率可达9 9 以上。即使用碱液或n h 4 c 1 溶液脱附后，仍然具有较好的吸附性能，重复使用时磷的去 除率仍达9 8 以上。沸石对磷的吸附主要是以静电为主的物理吸附。利用沸石床去除农田暴雨径流 中氮磷的结果表明f 硼1 ，沸石床对暴雨径流有较好的净化作用，t p 的总去除率可达3 8 。由于生活污 水中总磷多以负价的磷酸根离子形式存在，导致沸石对总磷的吸附效率不高。对总磷的去除部分可 能是缘于其巨人的比表面积所产生的物理吸附，胶体氧化铁含有较多的正电荷与磷酸根离子结合咿j ， 形成了磷酸铁盐沉淀的结果。由于沸石除磷效果不太理想，在作为人工湿地基质应用时可以考虑采 用其它途径( 如与其它总磷吸附效果较好的基质混合使用) 来强化其对总磷污染的净化能力。 ( 2 ) 膨润十 膨润十是我国应用较为广泛的工业矿物，是主要以蒙脱石矿物组成的一种粘士岩。蒙脱石是一 种具有膨胀性能，星层状结构的含有少量碱金属或碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。由于蒙脱石晶体 结构完整、有序度高、层间结合力强，有较大的比表面积和离子交换容量，同时还具有乳化作用、 亲和酸力和去污能力，因此膨润士除对重金属离子有吸附作用外，还对酚、氯离子和磷酸盐有吸附 作用。交联过群更能使蒙脱彳i 层间距增大，吸附性能增强，可用于废水中氮、磷等污染物的吸附去 除1 7 0 ， 1 。关晓7 2 1 使用膨润士吸附水体中的磷，结果发现磷的去除率可达8 5 。 ( 3 ) 细砂 砂子材料分布j “泛，比较容易获得，因其通透性好和不易引起堵塞，适合作为滤料，但是对氮、