人工湿地填料磷去除效果的影响因素分析.pdf
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1、农业环境科学学报 2 0 0 8,2 7(2):7 4 8 7 5 2 J o u r n a l o f Ag r o E n v i r o n me n t S c i e n c e 人工湿地填料磷去除效果的影响因素分析 汤显强,李金 中2,刘学功 2,黄岁棵(1 南开大学环境科学与工程学院,天津 3 0 0 0 7 1;2 天津市水利科学研究所,天津 3 0 0 0 6 1)摘要:为分析人工湿地填料磷去除效果的影响因素,选取页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石等不同填料进行等温磷吸附实验和室内 小试磷去除研究。结果表明,填料类型和粒径影响填料磷吸附性能。上述填料磷吸附性能依次为页岩 铁矿石麦
2、饭石 粗砾石且 页岩最大磷吸附量随粒径增加而减小。水力负荷(H L A)变化对不同填料磷去除效率影响效果不同,当 HL A从 2 0 0 mm d 降至 1 4 2 8 m i l 1 d-m 时 粗砾石构建湿地总磷去除率增加大约 1 0;麦饭石因为吸附渐进饱和总磷去除率呈现出不断下降趋势;铁矿石可 能受微生物影响导致 F e 等金属元素释放,总磷去除率从大约 6(H L A=2 0 0 m m d )上升至 3 5(H L A=1 4 2 8 mm d。)左右;页岩受 H L A变化影响较小,总磷去除率基本稳定在 8 0 以上。综合上述实验结果发现填料种类、粒径及水力负荷均影响湿地填料磷去除
3、 效果。关键词:湿地;填料;磷去除;水力负荷 中图分类号:X 7 0 3 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 2 2 0 4 3(2 0 0 8)0 2 0 7 4 8 0 5 I n fl u e n c i n g F a c t o r s o f Ph o s p h o r u s Re mo v a l P e r f o r ma n c e o f Co n s t r u c t e d W e t l a n d s S u b s t r a t e s T ANG Xi a n q i a n g ,L I J i n-z h o n g:,L I U X u e
4、-g o n g:,HUANG S u i l i a n g (1 C o U e g e o f E n v i ron m e n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g,N a n k a i U n i v e r s i t y,T i a n j i n 3 0 0 0 7 1,C h i n a;2 T i a n j i n H y d r a u l i c S c i e n t i f i c R e s e a r c h I n s t i t u t e,T i a n j i n 3 0 0 0 6 1,C
5、h i n a)Ab s t r a c t:I n o r d e r t o a n aly z e t h e f a c t o r s t h a t i n fl u e n c e d p h o s p h o r u s r e mo v a l p e r f o r ma n c e o f c o n s t r u c t e d w e t l a n d s s u b s t r a t e s,s h ale,c o u r s e g r a v e l,i r o n s t o n e a n d h o rnb l e n d e w e r e u
6、s e d t o c o n d u c t t h e p h o s p h o r u s i s o t h e rm al a d s o r p t i o n e x p e ri me n t an d i n d o o r p i l o t s c ale p h o s p h o r u s r e mo v al r e s e a r c h P h o s p h o r u s i s o t h e rm a l a d s o rpt i o n e x p e ri me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e d
7、t h a t s u b s t r a t e t y p e s a n d gra i n s i z e s c o u l d b o t h i n fl u e n c e p h o s p h o r u s r e mo v a l c a p a c i t i e s T h e r e wa s a n o r d e r i n r a n k f o r p h o s p h o r u s a d s o rp t i o n c a p a c i t i e s o f the f o u r s u b s t r a t e s me n t i o
8、 n e d a b o v e:s h ale i ron s t o n e h o rnb l e n d e c o u r s e g r a v e l a n d t h e ma x i mu m p h o s p h o r u s a d s o rpt i o n c a p a c i t y o f s h a l e i n c r e a s e d a s the gra i n s i z e o f the ma t e r i al d e c r e a s e d T P D mo v a l e ffic i e n c y o f i n d o
9、 o r-p i l o t s c ale c o n s t r u c t e d w e tl a n d s wi t h d i f f e r e n t s u b s a t e s v a ri e d wi t h h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e f HLA 1 Wh e n HL A wa s d e c l i n e d f r o m 2 0 0 mm d t o 1 4 2 8 mm d ,T P r e mo v al r a t e o f c o u pe g r a v e l b e d c o n s
10、t r u c t e d we tl a n d i n c r e a s e d a b o u t 1 0 wh i l e h o r n b l e n d e b e d a p p e a r e d d e p r e s s i v e t I le n d s i n c e the s u b s t r a t e a c h i e v e d s a t u r a t e d a d s o r p t i o n g r a d u all y I r o n s t o n e tha t wa s m a y b e a ff e c t e d b y
11、t h e a c t i o n o f mi c roo r g a n i s m s l e d t o t h e i n c r e a s e o f T P r e m o v a l r a t e s fr o m a b o u t 6(H L A=2 0 0 m m d )t o a p p r o x i ma t e l y 3 5(1 4 2 8 m m d-1),o w i n g t o t h e r e l e a s e o f e l e m e n t F e S h ale b e d w a s h a r d l y affe c t e d
12、b y t h e c h a n g e o f H L A,a n d the T P r e m o v a l r a t e m a i n t a i n e d a b o v e 8 0 d u ri n g the e x p e rime n t al p e ri o d T h e s e r e s u l t s i mp l i e d t h a t s u b s t r a t e t y p e s,g r a i n s i z e a n d h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e we r e the f a
13、c t o r s tha t i nfl u e n c e d p h o s p h o r u s r e mo v a l p e rfo r ma n c e o f c o n s t ruc t e d we t l a n d s s u b s t r a t e s K e y w o r d s:c o n s t ruc t e d w e tl a n d;s u b s t r a t e;p h o s p h o rus r e mo v al;h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e(H L A)收稿 日期:2 0 0
14、7 0 3-2 3 基金项目:天津市科委重大基金项 目“天津市外环河水质改善及水资源保护工程”;国家 自 然科学基金(5 0 4 7 9 0 3 4);教育部留学归国服务人员启动 基金;南开大学“引进人才科研启动项 目”;现代水利科技创新项 目X D S 2 0 0 7 0 5 作者简介:汤显强(1 9 8 1 一),男,博士研究生,主要研究方 向为水污染控制。E ma i l:a n b i t i o n m a i l n a n k a i e d u c a 通讯联 系人:黄岁棵E m a i l:s l h u a n g n a n k ai e d u a n 维普资讯 htt
15、p:/ 第 2 7卷第 2 期 农 业 环 境 科 学 学 报 7 4 9 近年来,人工湿地废水生态处理技术在 国内外被 广泛应用于处理城市生活污水_ 1 1,农业 面源污染嘲、富 营养化水体I3、4 1 等也具备较好的磷去除效果。关于人工 湿地磷去除机理及其国内外应用现状的总结详见文 献 5 。人工 湿地除磷 主要靠 湿地填 料对 磷 的吸 附沉 降 5 9 1。分析人工湿地填料磷去除性能的影响因素对 选择具有较高磷去除性能的填料和提高人工湿地除 磷效率意义重大。人工湿地填料磷去除性能研究大多 集中于除磷填料的选择,即通过等温磷吸附实验 比较 不同填料 的兰格缪尔最大磷吸附量 2 1。此法选
16、用填 料的量较少且粒径与实际工程所用填料不尽相 同,填 料磷去除性能可能与实际处理工程不符。为科学合理 选择人工湿地磷去除填料,本文通过填料等温磷 吸附 实验、室内小试填料磷去除实验综合比较不同湿地填 料磷去除效果,开展湿地填料磷去除性能的影响因素 分析。1 实验材料及方法 1 1实验材料及填料部分物理性质的测定 考虑到填料来源及成本等因素,选用天津蓟县 的 页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石作为实验材料。测定填 料干容重、孔隙率、水力渗透系数、颗粒粒径分布等部 分物理性质见表 1。其中填料干容重和孔隙率采用标 准土壤科学方法测定_ l 3 1,水力渗透系数依据达西渗透 原理测定 ll 2 1,根据
17、 0 2 5 2 0 mm共 7种孔径筛 网的筛 分结果确定填料的颗粒粒径分布。1 2等温吸附实验 准确称取 1 0 5下干燥 2 h粒径为 0 5 1 0 m m 的页岩、粗砾石、铁矿石、麦饭石 1 g于 1 0 0 mL具塞 离心管 中,分 别准确加入含磷 浓度为 0 0、1 0、2 5、5 0、1 0 0、2 5 0、5 0 0、1 0 0 0、2 0 0 0 mg L 的 K H 2 P O 4 溶 液 2 0 m L。各离心管 中加入 1滴 甲苯防止微生物活 动。在水浴恒温振荡器上连续振荡 2 4 h(2 5,1 7 5 r m i n ),振荡完毕后在 5 0 0 0 r m i
18、n 下离心 1 5 mi n,取上清液用钼锑抗比色法测定磷含量,溶液 中磷含量 减小量即填料的磷吸附量。以溶液平衡吸附浓度对填 料平衡吸附量作图即填料等温磷吸附曲线。为确定填料颗粒粒径对磷吸附效果的影响,选用 粒径 分别 为 0 0 0 5 m m、0 5 1 0 m m、1 0 2 0 mm的 页岩测定不同粒径下页岩磷吸附量的变化,测定步骤 同上。1 3小试实验装置简介及运行 1 3 1 小试实验装置简介 采用室内无植物复合垂直潜流填料柱测定 比较 填料磷去除效果,实验装置共 4套,分别装填页岩、麦 饭石、粗砾石和铁矿石。每套装置(图 1)由污水配给 箱、下行柱和上行柱(按污水流向)等构成,
19、下行柱和 上行柱的内径、柱高相同,具体是 1 5 e m和 1 2 0 e m,材 质为有机玻璃。进水管位于下行柱 1 0 0 e m处,出水管 位于上行柱 9 0 e m处,比进水管低 1 0 e m以保证污水 自重力流。下行柱与上行柱填料分别装填至与进水管 口和出水管 口等高的位置。1 3 2 室内小试运行 系统 自2 0 0 6年 3月中旬于室内正常运行,温度 控制为 2 0 2 5。设计水力负荷(H L A)为 2 0 0 m m d 污水配给箱进水闸 图 1人工湿地小试实验装置简图 Fi g ur e 1 S c h ema t i c d i a g r a m o f pi l
20、o t s c a l e c on s t r u c t e d we t l a n d e x p e r i me n t a l a p p ar a t u s 表 1填料部分物理性质 Ta b l e 1 S o me p hy s i c a l pr op e r t i e s o f t he s ubs t r a t e i n t h e c o n s t r uc t e d we t l a n ds 维普资讯 http:/ 7 5 0 汤显强等:人工湿地填料磷去除效果的影响因素分析 2 0 0 8 年 3 月(各装置 日进污水约 7 L),为研究 H L
21、A变化对湿地 填料除磷效率 的影响,一个月后,H L A降至 1 4 2 8 m i l l d 一 1(各装置 日进污水约 5 L)。取卫津河河水作为 小试污水水源(贮于室内污水箱,容积为 3 m s),主要 水 质参数 C O D:1 1 5 1 4 0 mg L ,T N:7 8 9 5 m g L ,T P:1 4 1 6 m g L 一,p H:8 3 2 8 6 4。每 隔 2 d在 进 水 口,出水口采集水样,测定水样中磷浓度变化。2 实验结果与讨论 2 1湿地填料的物理性质 从表 1 看出,页岩和粗砾石的孔隙率较高,铁矿 石与粗砾石的干容重较大。水力渗透系数 可用来 比较不同填
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