高炉矿渣基质人工湿地除磷特性研究

书书书第２５卷第１期２００９年２月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２００９收稿日期：２００８－０８－２０；修订日期：２００８－１２－１７。基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项河流主题（２００８ＺＸ０７２０８－００５）资助。作者简介：李晓东，男，１９７８年生，博士，主要从事污染环境的修复技术研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。高炉矿渣基质人工湿地除磷特性研究李晓东１，２　师晓春１，２　晁雷１，２　杨明珍１，２（１．辽宁省环境科学研究院，辽宁沈阳１１００３１；２．辽宁省流域污染控制重点实验室，辽宁沈阳１１００３１）　　摘　要：以冶金废物高炉矿渣作为人工湿地基质，研究了其对生活污水中磷的去除效果。等温吸附／解吸实验结果表明：高炉矿渣的磷素理论饱和吸附量为３３３３ｍｇ·ｋｇ－１，是沙子（２７０ｍｇ·ｋｇ－１）的１２倍；高炉矿渣基质的磷吸附解吸率为０．６８％，也远小于沙子的７．５９％。复合垂直流湿地各基质层对磷的吸附量实验结果表明，表层基质层磷含量远高于其他层，各基质层磷含量沿水流方向和基质深度呈逐渐降低的趋势；表层添加高炉矿渣的湿地单元，表层基质对磷的吸附效果远高于对照。结果表明，高炉矿渣基质具有较强的磷吸附能力，作为人工湿地基质是可行的，建议根据表层基质磷吸附饱和情况，随着植物的收割适当更换表层基质，延缓湿地的除磷年限。关键词：高炉矿渣；人工湿地；基质；除磷　　中图分类号：Ｘ７０５　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０１－００４５－０４１　引言磷素能刺激藻类和光合水生生物生长，并最终诱发水体富营养化，污水除磷对于控制水体富营养化具有非常重要的意义。人工湿地是一种高效低耗，具有广泛应用前景的污水处理系统。大量研究［１－８］表明，湿地除磷主要依靠基质的吸附作用，尤其是富含Ａｌ３＋、Ｆｅ３＋和Ｃａ２＋的湿地基质通过吸附和沉淀反应，能对磷素有很好的去除效果。但是湿地基质容易饱和，磷去除率会随着湿地运行时间逐渐降低等不足［４］，一直以来没有得到很好解决，限制了人工湿地技术的推广应用。许多学者致力于开发高效的除磷基质［３，５－７］，研究发现钢渣的最大磷吸附量可达５０４９０ｍｇ·ｋｇ－１，是沙子的１５０倍之多，是目前对磷吸附效果最好的基质之一；但同时也发现钢渣遇水显强碱性，不适合湿地植物生长，因而很少在人工湿地工程中使用。高炉矿渣是一种类似于钢渣的冶金废物，是一种多孔质硅酸盐材料。本研究以高炉矿渣作为人工湿地基质，探求其对生活污水中磷的净化效果。２　实验设计流程２１　湿地结构本研究采用复合垂直流湿地（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＶｅｒｔｉｃａｌＦｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＷｅｔｌａｎｄ，简称ＩＶＣＷ），高炉矿渣取自沈阳周边某钢厂，沙子购于沈阳建材市场。实验共有２个结构相同的单元组成，一个表层填充高炉矿渣基质记为ＶＷ１，另一个填充沙子作为对照，记为ＶＷ２。ＩＶＣＷ长、宽、高分别为８００ｍｍ×４００ｍｍ×８００ｍｍ，下行流基质厚度为６００ｍｍ，上行流基质厚度为５００ｍｍ。其中ＶＷ１，下行流池上层１０ｃｍ为粒径２—３ｍｍ的高炉矿渣，中间３５ｃｍ为粒径１—２ｍｍ的沙子，下层１５ｃｍ为粒径５—１０ｍｍ的砾石；上行流池上层１０ｃｍ为粒径２—３ｍｍ的高炉矿渣，中间２５ｃｍ为粒径１—２ｍｍ的沙子，下层１５ｃｍ为粒径５—１０ｍｍ的砾石。对照单元ＶＷ２，除整个湿地表层基质用粒径１—２ｍｍ的沙子代替高炉矿渣，其他层基质与ＶＷ１相同。人工湿地植物选用美人蕉花卉植物，于２００７年３月１２日开始运行，运行方式为间歇运行，每日工作１０ｈ，时间控制器和流量计控制进水。基质的矿物含量和部分理化性质见表１和表２。表１　基质的主要矿物含量（以氧化物计）％矿物成分ＳｉＯ２Ａｌ２Ｏ３ＭｇＯＦｅ２Ｏ３ＣａＯＰ２Ｏ５其他高炉矿渣３２．９８１６．６７８．５２０．７０３５．９９０．０２０５．１２０沙子９２．３７３．１４０．１２０．６４０．１６０．００１３．５６９表２　基质的部分理化性质性质比表面积／（ｍ２·ｇ－１）ｐＨ高炉矿渣３．２４７．５４沙子１．９８６．８２２２　进水水质实验用水为某生活小区生活污水经厌氧预处理后的出水。人工湿地进水水质参数见表３。２３　高炉矿渣磷素吸附等温线实验称取１０５℃下干燥的高炉矿渣１０ｇ，作３个平４６　　　气象与环境学报第２５卷　行，置于容积为２５０ｍＬ的三角瓶中，分别加入由表３　人工湿地进水水质ｍｇ·Ｌ－１测试指标ｐＨＣＯＤＣｒＢＯＤ５ＳＳＴＰ氨氮参数７．５—８．０１６０—２００６０—１００９０—１１０５．７—８．０５５—８５　　注：基质∶水＝１∶２。００２ｍｏｌ·Ｌ－１ＫＣｌ溶液配置的不同磷素浓度（以Ｐ计，下同）的ＫＨ２ＰＯ４标准溶液２００ｍＬ，含磷浓度分别为１．０、２．０、５．０、１０、２０、５０、１００、２００ｍｇ·Ｌ－１和４００ｍｇ·Ｌ－１。将三角瓶放入恒温摇床中，１４０—１５０ｒ·ｍｉｎ－１，（２５±１）℃振荡２４ｈ后经０．４５μｍ膜抽滤，测其上清液磷素浓度，并根据其浓度的变化，计算基质吸附磷素的数量，取平均值。以吸附平衡液磷浓度与单位填料磷吸附量作图，即得填料磷吸附等温曲线。同时以沙子作对照比较。２４　高炉矿渣磷吸附饱和后解吸实验取上述磷吸附饱和后的高炉矿渣１ｇ，作３个平行，置于塑料离心管中，加入０．０２ｍｏｌ·Ｌ－１的ＫＣｌ溶液２０ｍＬ。将三角瓶放入恒温摇床中，１４０—１５０ｒ·ｍｉｎ－１，（２５±１）℃振荡不同时间后离心，测其上清液磷素浓度，计算其解吸的磷素数量，取平均值，绘制其磷素解吸曲线。同时以沙子作对照比较。２５　人工湿地不同基质层磷含量测定在人工湿地床体内部，沿水流方向下行流池和上行流池各分３层，分别为深度５—１０、１５—２０ｃｍ和３０—３５ｃｍ。重复土样同层次混合后，冰箱冷藏备用，测定各层基质对磷的吸附情况。２．６　测试方法供测基质中磷素含量及各湿地单元不同基质层中磷的测定用钼锑抗比色法［８］，基质矿物全量的测定用Ｘ射线荧光分析法，ｐＨ值测定用酸度计法（基质∶水＝１∶２）。溶液中磷素含量用钼锑抗紫外分光光度法。３　结果分析３１　高炉矿渣基质磷吸附解吸特性经Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附等温方程得出，高炉矿渣对磷素有较好的吸附效果，见表４。高炉矿渣对磷的最大表４　供试基质磷素吸附解吸特性基质理论最大吸附量／（ｍｇ·ｋｇ－１）最大解吸量／（ｍｇ·ｋｇ－１）解吸率／（％）沙子２７０２０．５７．５９高炉矿渣３３３３２２．６０．６８吸附量为３３３３ｍｇ·ｋｇ－１，约为对照沙子的１２倍；其解吸量为２２６ｍｇ·ｋｇ－１，虽然与沙子解吸量接近，但是其解吸率远低于沙子，仅为０．６８％。与沙子作比较，高炉矿渣基质对磷吸附量大且稳定，当湿地进水中磷含量较低时，基本不会使已经固定的磷重新释放出来，造成２次污染，适合作为湿地基质。目前公认的湿地基质磷吸附能力受以下几方面关键因素影响：（１）吸附电位的数量；（２）基质颗粒的比表面积；（３）ｐＨ值。在碱性条件下［６］，磷吸附于含大量钙离子的碱性基质中，形成几乎不溶的磷酸钙沉淀；在酸性环境下，磷与铝离子、铁离子及其氧化物发生置换反应从而通过化学作用发生沉淀，反应速度与反应对象浓度呈正相关。由表１和表２可知，水渣中的钙含量较高，在碱性条件下容易与溶液中的磷酸根反应形成磷酸钙沉淀而固定下来；而沙子的水溶液接近中性，其含钙、铁和铝的含量均较小，其主要依靠表面孔隙吸附磷，故容易被解吸出来。３２　不同水力停留时间下高炉矿渣人工湿地对磷的去除效果　　由图１可知，当水力停留时间（ＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｔｅｎ图１　复合垂直流人工湿地不同ＨＲＴ下的ＴＰ去除变化ｔｉｏｎＴｉｍｅ，简称ＨＲＴ）为２０ｄ时，ＶＷ１对磷的去除优势较对照ＶＷ２不是很明显，ＴＰ出水浓度相差仅在０１ｍｇ·Ｌ－１左右。当ＨＲＴ控制在１０ｄ，甚至是０５ｄ时，由于污染负荷的加大，高炉矿渣对磷的高吸附能力得以体现，ＶＷ１、ＶＷ２出水ＴＰ浓度的差距逐渐增加到０２５ｍｇ·Ｌ－１和０４ｍｇ·Ｌ－１。但是当ＨＲＴ控制在０５ｄ时，ＶＷ１出水ＴＰ浓度大于１ｍｇ·Ｌ－１，超过国家生活污水综合排放标准（ＧＢ８９７８—１９９６）中的二级标准（ＴＰ＜１ｍｇ·Ｌ－１），所以最终将ＨＲＴ控制在１ｄ。此时ＶＷ１出水ＴＰ浓度为（０８６±０１１）ｍｇ·Ｌ－１，而对照ＶＷ２为（１１８±０３１）ｍｇ·Ｌ－１。３３　人工湿地各层基质对磷的吸附效果本实验研究表明：在ＶＷ１、ＶＷ２中，表层基质层磷含量均远高于其他层，各基质层磷含量沿水流方向和基质深度呈逐渐降低的趋势（图２）。在下行流的１５—２０ｃｍ处，磷含量略低于３０—３５ｃｍ处，分析　第１期李晓东等：高炉矿渣基质人工湿地除磷特性研究４７　　　原因，可能是１５—２０ｃｍ处是植物的根区部，由于植图２　复合垂直流湿地基质不同位点ＴＰ含量物生长旺盛，需要根从基质中吸取磷而使得该部分磷含量低。周巧红（复合垂直流构建湿地微生物类群多样性及其活性研究［Ｄ］．武汉：中国科学院水生生物研究所，２００５：３８．）的研究结果表明，无论上行流还是下行流，其他基质层的磷含量都大于１５—２０ｃｍ处，这主要是由于其所研究的人工湿地已经成功运行了３ａ，各基质层对磷的吸附量已经接近饱和。而本文的研究对象运行还不到１ａ，新建湿地基质吸磷能力较强，由于下行流单元还没有饱和，所以上行流各层基质的磷含量还比较低。不过随着运行时间的延长，可能会出现：各层基质趋于饱和，人工湿地对磷去除率逐渐降低。在图２中还可知，ＶＷ１单元，无论是上行流还是下行流，其表层基质磷含量都好于ＶＷ２。考虑到湿地运行时间较短，沙子湿地磷吸附量还没有饱和，随着湿地的继续运行，ＶＷ１的优势将会得到更好的体现，在湿地表层添加对磷吸附能力较强的基质将有助于除磷。　　人工湿地植物作为湿地组成的四要素之一，虽然对磷素去除作用不大，一般认为仅有５％左右［１０－１１］，但是为防止其死亡后造成磷、氮等污染物的释放，以及考虑到一些湿地植物收割所具有的经济价值［１２］，一般会对其进行定时收割。本文所选用的美人蕉植物虽然收割后，经济价值不大，但是由于其生物量较大，根茎密度过大，容易使得湿地内部孔隙率下降，沙粒板结而水流不畅，导致出水速率过慢，ＨＲＴ过长，影响净化效果，这与吴振斌等［１３］的研究相似。为此，本文认为人工湿地植物尤其是生物量大的植物，需要定时收割。由于植物的根系主要集中在湿地上层２５ｃｍ以上，可以考虑在收割植物的同时，根据表层基质吸磷饱和情况适当更换表层基质，以增加湿地使用年限。４　结论（１）本研究采用冶金废物高炉矿渣作为人工湿地基质。吸附／解吸等温实验表明，高炉矿渣最大吸附量为３３３３ｍｇ·ｋｇ－１，解吸率为０．６８％，都远好于沙子，适合作为人工湿地基质。（２）人工湿地各基质层磷吸附含量实验表明，ＩＶＣＷ中，除下行流１５—２０ｃｍ处基质ＴＰ含量略低外，其他各基质层ＴＰ含量沿水流方向和基质深度呈逐渐降低的趋势；表层基质为高炉矿渣的ＶＷ１单元，表层基质对ＴＰ的吸附效果好于对照ＶＷ２。（３）不同ＨＲＴ人工湿地除磷实验表明，高炉矿渣湿地ＶＷ１除磷效果远好于对照ＶＷ２。当ＨＲＴ控制在１ｄ，进水ＴＰ浓度在（６８５±１１５）ｍｇ·Ｌ－１时，ＶＷ１出水ＴＰ浓度为（０８６±０１１）ｍｇ·Ｌ－１，而ＶＷ２为（１１８±０３１）ｍｇ·Ｌ－１。（４）本研究高炉矿渣遇水显弱碱性，对植物没有明显毒害，可作为强化除磷基质，铺设在植物根系密集的湿地表层，并随着湿地植物的定时收割，根据湿地基质磷素吸附饱和状况，适当选择更换新渣，延长湿地的使用年限。参考文献［１］　ＤｒｉｚｏＡ，ＦｒｏｓｔＣＡ，ＧｒａｃｅＪ．Ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｃｒｅｅｎｉｎｇｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｒｅｍｏｖｉｎｇｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｆｏｒｕｓｅｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＷａｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９９，３３（１７）：３５９５－３６０２．［２］　ＤｒｉｚｏＡ，Ｆｒｏ