富營(yíng)養(yǎng)化水體最優(yōu)脫氮除磷吸附試驗(yàn)優(yōu)化改進(jìn)方案

鄭曉霞

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是水庫(kù)、湖泊及海洋等水體遭受的主要環(huán)境污染問(wèn)題，而氮、磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[1]。由于國(guó)內(nèi)污水處理設(shè)備不能完全實(shí)現(xiàn)水體的脫氮除磷，且農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)大都未能按照污水處理集中設(shè)備，使得進(jìn)入河道水體污水量較大，一些區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，一些研究表明國(guó)內(nèi)一些大型流域均發(fā)生過(guò)較明顯的水體富營(yíng)養(yǎng)化事件[2]。遼寧西部一些區(qū)域河流水體富營(yíng)養(yǎng)化已逐步影響區(qū)域水資源可持續(xù)利用以及水生態(tài)環(huán)境，并對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活保障產(chǎn)生不同程度影響[3]。因此亟需對(duì)污染水源進(jìn)行水處理研究，使得其降低河流水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在污染水源水處理方面做了大量工作，污染源水處理的兩類主要方法——對(duì)水源進(jìn)行深度處理[5]和生物預(yù)處理技術(shù)[6]。近些年來(lái)，一些高新技術(shù)如濾膜以及氧化技術(shù)也逐步在水處理中得到應(yīng)用[7- 8]。但由于技術(shù)和投入等原因，這些技術(shù)還處于研發(fā)階段，未能進(jìn)行全面應(yīng)用和推廣。在國(guó)內(nèi)目前水處理應(yīng)用較多的依舊是采用沸石進(jìn)行吸附處理。但在一些研究應(yīng)用效果表明[9- 15]其中富營(yíng)養(yǎng)化水體脫氮除磷的吸附效果不是很高，亟需要進(jìn)行優(yōu)化吸附方案的分析。為此本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)分析，對(duì)其最優(yōu)吸附方案進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定最優(yōu)的吸附藥劑的比例、吸附時(shí)間以及吸附環(huán)境。研究成果對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體水處理技術(shù)具有重要的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)原料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料、試劑及儀器設(shè)備

供試水樣取自區(qū)域某供水水源水庫(kù)，該水庫(kù)主要對(duì)全市生活用水進(jìn)行補(bǔ)給供給。通過(guò)測(cè)定采集水樣的氨氮以及總磷分別為2.1、0.16mg/L，pH測(cè)定值在7.1～7.3之間。吸附劑的化學(xué)成分及配比見(jiàn)表1。

表1 吸附劑的化學(xué)成分及配比

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1吸附劑的配置方法

鹽酸、氫氧化鈉以及氯化鎂溶液的配比濃度分別為0.2、1.0、1.0mol/L，在配比溶液中加入吸附劑進(jìn)行12h的混合均勻和靜置，靜置后采用蒸餾水將配合溶液調(diào)整至中性水平，采用烘箱進(jìn)行2h的烘干處理后，制成具有鹽改性(性能改進(jìn))的吸附劑，此外在吸附劑天然狀況下進(jìn)行高溫400℃的2h焙燒后，采用蒸餾水進(jìn)行水處理，并在105 ℃烘箱溫度下進(jìn)行2h的烘焙處理，制成熱改性的吸附劑。最后，將鹽改性的吸附劑進(jìn)行熱改處理，制成優(yōu)化后的改性吸附劑。

1.2.2改性優(yōu)化吸附劑的效果對(duì)比方法

首先對(duì)吸附劑進(jìn)行不同方式的改性優(yōu)化處理，并對(duì)不同優(yōu)化改性后的脫氮除磷效果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得最優(yōu)的改性方案。在最優(yōu)改性方案下對(duì)不同吸附環(huán)境進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)吸附劑配比、吸附性能進(jìn)行綜合對(duì)比分析，確定最優(yōu)的吸附優(yōu)化方式。

2 試驗(yàn)成果及討論

2.1 吸附劑改性前后的吸附對(duì)比分析

分別將改性前后的吸附劑10g加入到100ml水樣中，在恒溫?fù)u床中振蕩100 r/min后進(jìn)行180min的吸附試驗(yàn)，對(duì)吸附溶液采用0.45μm 濾膜進(jìn)行過(guò)濾后對(duì)其總磷和氨氮濃度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)比分析吸附劑改性前后的吸附效果，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同改性方式下吸附劑的氨氮和總磷吸附效果對(duì)比結(jié)果

從圖中可見(jiàn)，各種改性方式下的吸附劑的富營(yíng)養(yǎng)化水體吸附效果具有一定程度的差異性?？偭椎奈饺コ室陀诎钡奈饺コ?。復(fù)合改性下吸附劑對(duì)氨氮的吸附去除率最高，天然條件下吸附劑的吸附效果最為不理想。而對(duì)于總磷去除率而言，同樣復(fù)合改性方式下的吸附效果最佳，其對(duì)氨氮和總磷的去除率可分別達(dá)到91.5%和82.4%，相比于未改性前，氨氮和總磷的去除率可分別提高22.0%和52.3%。

2.2 改性后的吸附劑用量對(duì)氮磷去除吸附影響分析

分別將改性前后的吸附劑10g加入到100ml水樣中，將25℃溫度下對(duì)溶液進(jìn)行100r/min的振蕩后進(jìn)行180min的吸附試驗(yàn)，對(duì)吸附溶液采用0.45μm 濾膜進(jìn)行過(guò)濾后對(duì)其總磷和氨氮濃度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)比分析改性后的吸附劑用量對(duì)氨氮和總磷的去除效果，結(jié)果如圖2所示。

圖2 復(fù)合改性沸石投加量對(duì)氨氮和總磷去除效果

從分析結(jié)果可看出，采用復(fù)合改性后，隨著吸附劑用量的增加其氨氮和總磷的去除率逐步加大，當(dāng)吸附劑用量較低時(shí)其去除率遞增率較大，而當(dāng)吸附劑的用量達(dá)到6g后，100ml水樣中氨氮和總磷的去除率逐步趨于穩(wěn)定變化，表明吸附基本達(dá)到平衡狀態(tài)，總氮的吸附效果總體好于總磷，當(dāng)復(fù)合改性吸附劑的用量達(dá)到6g時(shí)，其氨氮和總磷在100ml水樣的去除率均可達(dá)到78%以上，具有較好的吸附效果。

2.3 不同吸附時(shí)間對(duì)氨氮和總磷的吸附影響分析

在吸附劑用量分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其不同吸附時(shí)間對(duì)氨氮和總磷的吸附效果好進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 復(fù)合改性吸附劑下不同吸附時(shí)間對(duì)氨氮和總磷的去除率影響分析

從試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，復(fù)合改性吸附劑隨著吸附時(shí)間的增加對(duì)氨氮和總磷的去除率也逐步加大啊，同步脫氮除磷在180min鐘內(nèi)的效果十分明顯，隨后其去除率雖然有所增加，但增加的幅度有所減緩，這是因?yàn)槲絼┲鸩节呌谄胶鉅顟B(tài)，對(duì)氨氮和總磷的吸附能力將有所降低，從時(shí)間分布來(lái)看，當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到240min以后其吸附去除率逐步趨于穩(wěn)定變化，因此對(duì)于復(fù)合改性吸附劑而言，其最佳的吸附時(shí)間應(yīng)盡量控制在240min以內(nèi)。

2.4 不同酸堿度環(huán)境下復(fù)合改性吸附劑對(duì)總氮和總磷吸附影響分析

酸堿環(huán)境對(duì)于吸附劑的性能影響也較為明顯，為此本文在探討吸附劑用量以及吸附時(shí)間的基礎(chǔ)上，對(duì)ph值下吸附劑的吸附效果進(jìn)行對(duì)比分析，確定吸附最優(yōu)的pH值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合改性吸附劑下不同pH值對(duì)其吸附效果的影響分析結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，復(fù)合改性吸附劑在不同pH值下影響程度具有較為明顯的差異度。氨氮和總磷在中性和弱堿性環(huán)境下的吸附去除率較大，而吸附效果在酸性或堿性條件下均有所遞減。通過(guò)多組試驗(yàn)分析，復(fù)合改性吸附劑當(dāng)pH值介于7.0～8.0時(shí)，可以達(dá)到最佳的吸附效果。

2.5 不同復(fù)合改性吸附劑粒徑對(duì)氨氮和總磷吸附效果分析

考慮吸附劑改性后期粒徑對(duì)氨氮和總磷吸附去除率的影響，通過(guò)對(duì)不不同吸附劑粒徑下的氨氮和總磷濃度測(cè)定值，對(duì)比分析其粒徑對(duì)其吸附效果的影響，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同粒徑下復(fù)合改性吸附劑對(duì)氨氮和總磷的吸附效果分析

從分析結(jié)果可看出，復(fù)合改性的吸附劑粒徑越小其吸附能力越大，吸附效果也就越佳，從吸附原理可看出，越小的吸附劑粒徑其吸附面積越大，物質(zhì)吸附的擴(kuò)散程度也就越大，單位質(zhì)量吸附劑可吸附交換的散點(diǎn)分布也就約為廣泛，有利于吸附率的提升。從圖中還可看出，當(dāng)吸附經(jīng)的粒徑降低達(dá)到一定比例后期吸附去除率逐步趨于穩(wěn)定，同時(shí)過(guò)小的吸附劑很難將進(jìn)行過(guò)濾和分離，降低吸附效果，通過(guò)綜合試驗(yàn)分析，當(dāng)復(fù)合改性吸附劑的粒徑達(dá)到30～100目為最佳的粒徑，氨氮和總磷去除比例均可高于80%。

3 結(jié)論

(1)在使用復(fù)合改性吸附劑進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化水體氨氮和總磷去除時(shí)，建議吸附劑最佳投放量為6g，并將吸附試驗(yàn)控制在240min以內(nèi)，可使得氨氮和總磷的去除率提升到78%以上；

(2)過(guò)酸或者過(guò)堿的水樣溶液對(duì)于復(fù)合改性吸附劑的氨氮和總磷去除效果影響較為明顯，因此在進(jìn)行吸附水處理時(shí)，建議首先對(duì)水樣的pH值進(jìn)行處理，若測(cè)定pH值不在7.0～8.0范圍內(nèi)，建議進(jìn)行酸或堿中和，使pH值在7.0～8.0之間；

(3)本文只對(duì)復(fù)合改性吸附的去除效果進(jìn)行了分析，但對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的造價(jià)還未進(jìn)行對(duì)比和討論，在后續(xù)的研究中還應(yīng)對(duì)其經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行定量探討。