劉雅慧, 王 鑫, 王 洪, 寧梓潔, 王國慶(沈陽大學 a. 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, b. 環(huán)境學院, 遼寧 沈陽 110044)

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城市雨水徑流下墊面基質(zhì)優(yōu)化與吸附性能

劉雅慧a,b, 王 鑫a,b, 王 洪a,b, 寧梓潔a,b, 王國慶a,b
(沈陽大學 a. 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, b. 環(huán)境學院, 遼寧 沈陽 110044)

針對海綿城市建設(shè)中城市雨水徑流下墊面填充基質(zhì)功能單一問題,選取蛭石、煤渣、陶粒、火山石4種基質(zhì)和基質(zhì)A、基質(zhì)B兩種混合基質(zhì)(基質(zhì)A為m(蛭石)∶m(沸石)∶m(煤渣)=3∶3∶4,基質(zhì)B為m(蛭石)∶m(沸石)∶m(陶粒)=3∶3∶4)進行吸附性能研究,發(fā)現(xiàn)6種填料均能較好的用Langmuire和Freundlich模型等溫吸附式描述.綜合分析得出混合基質(zhì)對氨氮和磷的吸附性能強于單一基質(zhì),將混合基質(zhì)引入海綿城市雨水滲濾系統(tǒng)可以提高雨水徑流污染物的去除率,有利于城市雨水徑流阻控.

城市雨水徑流; 海綿城市; 下墊面; 基質(zhì); 吸附性能

隨著城市化進程的加快,城市下墊面硬化面積不斷增加,雨水可滲透面積減少,使城市雨水徑流量增多,形成城市內(nèi)澇、雨水徑流污染等問題.城市雨水徑流污染具有來源廣泛、污染物組分復雜、初期雨水污染物含量高、不易收集等特征,若直接排放到自然水系,會污染水體,造成水體富營養(yǎng)化等災害[1-3].據(jù)美國國家環(huán)保署信息,雨水徑流面源污染已被列為導致水體污染的第三大污染源[4-7].

為解決城市雨水問題, 全國各地正在開展海綿城市建設(shè). 土壤滲濾作為海綿城市建設(shè)中的重要手段, 也越來越多的應用于城市雨水徑流的儲滲、凈化等多方面. 土壤滲濾具有成本低、運行維護簡單、處理效果好、美化環(huán)境等優(yōu)點[8-10]. 基質(zhì)是土壤滲濾功能的決定性因素, 不僅能為微生物提供附著表面, 同時還能吸附污染物質(zhì)[11]. 因此改良基質(zhì),尋求吸附力強、滲透性能好、價格低廉、可應用性高的填料是構(gòu)建雨水滲濾系統(tǒng)的關(guān)鍵.

雨水滲濾系統(tǒng)具備凈化徑流污染物和削減徑流量的功能.但是,目前填充基質(zhì)相對單一,污染物去除率有待提高.本研究選取幾種典型基質(zhì)進行吸附性能實驗,優(yōu)化基質(zhì)選配,提高雨水滲濾系統(tǒng)凈化功能,為城市雨水徑流污染阻控提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據(jù)材料性質(zhì)、價格、易獲得程度等原則選取蛭石、沸石、陶粒、火山石和煤渣5種常見材料,其中蛭石、綠沸石、陶粒和火山石購買自某園藝市場,煤渣取自沈陽大學鍋爐房無煙煤燃燒后產(chǎn)物,經(jīng)篩分后備用.

蛭石、沸石、陶粒、火山石、煤渣的比表面積大,吸附性能好,可為微生物提供生長載體.各基質(zhì)配比通過查閱文獻借鑒土地滲濾系統(tǒng)中基質(zhì)使用量確定.共選取蛭石、煤渣、陶粒、火山石4種基質(zhì)和基質(zhì)A、基質(zhì)B兩種混合基質(zhì)共6種基質(zhì)進行等溫吸附實驗,研究其對總磷和氨氮的吸附性能.基質(zhì)A質(zhì)量比為m(蛭石)∶m(沸石)∶m(煤渣)=3∶3∶4,基質(zhì)B質(zhì)量比為m(蛭石)∶m(沸石)∶m(陶粒)=3∶3∶4.

1.2 實驗方法

實驗前準備:將備選基質(zhì)用自來水沖洗干凈,再用超純水潤洗3次.放入烘箱中,在105 ℃下烘干2 h.將烘干后的材料進行研磨,選取粒徑在0.25～0.850 mm之間顆粒進行實驗.將研磨好的材料再次用自來水沖洗2次,超純水潤洗2次,放入烘箱,在105 ℃下烘干10 h[12-13].烘干放涼后用密封袋保存并進行實驗.

所需試劑:配置質(zhì)量濃度為0、5、10、20、30、40、50、100和200 mg·L-1的氯化銨溶液各1 000 mL備用;配置質(zhì)量濃度為0、1、2、4、8、10、20、30和60 mg·L-1的磷酸二氫鉀溶液1 000 mL備用.

實驗步驟[13-14]:分別準確稱取1 g不同基質(zhì),基質(zhì)置于250 mL具塞錐形瓶內(nèi),分別加入50 mL不同質(zhì)量濃度(0、5、10、20、30、40、50、100、200 mg·L-1)的NH4Cl溶液于28 ℃恒溫搖床振蕩24 h(190 r/min ),沉淀30 min,取上清液經(jīng)三層定量濾紙過濾,測定溶液濃度.以同樣的步驟做KH2PO4的吸附實驗.以上實驗的每個濃度另作1個平行樣.根據(jù)震蕩前后氨氮、磷濃度的變化值分別計算氨氮、磷的吸附量,選用Freundlich和Langmuir模型對其吸附等溫線進行擬合對比分析.氨氮采用納氏試劑分光光度法,磷采用鉬銻抗分分光光度法.

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)測定結(jié)果分別計算蛭石、陶粒、煤渣、火山石、基質(zhì)A、基質(zhì)B對銨態(tài)氮和磷的吸附量,繪制等溫吸附曲線,并用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型進行擬合,從而表征各基質(zhì)的吸附特性,求出各基質(zhì)的最大吸附量.

吸附量的計算公式為

式中,qe為單位質(zhì)量吸附劑吸附平衡時的實際吸附量(mg·g-1);ρ0為溶液中溶質(zhì)的起始質(zhì)量濃度(mg·L-1);ρe為吸附平衡時溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量濃度(mg·L-1);V為溶液的體積(L);m為吸附劑的質(zhì)量(g).

基質(zhì)的吸附性能通過吸附等溫線進行表述,選用典型的Langmuir和Freundlich等溫吸附模型對數(shù)據(jù)進行擬合[15-16].

Langmuir模型方程為

Freundlich模型方程為

式中,Q0為吸附劑理論最大吸附量(mg·g-1);KL、K、1/n均為常數(shù),KL代表吸附結(jié)合能,K代表吸附能力,1/n為與吸附和表面異質(zhì)性有關(guān)的異質(zhì)因子.

2 結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)對磷的等溫吸附特性

(1) 各基質(zhì)對磷的等溫吸附曲線.各基質(zhì)對磷的等溫吸附曲線如圖1所示. 各基質(zhì)對磷的吸附量隨著溶液濃度的增加而增加.蛭石對磷的吸附效果最好,火山石吸附效果最差,煤渣在溶液質(zhì)量濃度小于10 mg·L-1時吸附量小,僅高于陶粒和火山石,但煤渣吸附性能隨溶液質(zhì)量濃度增加變化明顯, 隨著溶液質(zhì)量濃度的增加煤渣吸附性能迅速增加, 到60 mg·L-1時與蛭石吸附量相當, 且曲線斜率仍然較大,說明煤渣表面還有足夠的吸附空間,對磷的吸附量在60 mg·L-1時還達不到飽和, 可適用于更大質(zhì)量濃度的磷酸鹽溶液. 混合基質(zhì)A、混合基質(zhì)B、陶粒對磷的等溫吸附曲線變化特征相似,溶液質(zhì)量濃度小于20 mg·L-1時曲線斜率相對較大, 基質(zhì)對磷的吸附量增加迅速,20～60 mg·L-1之間基質(zhì)對磷的吸附增加緩慢,說明基質(zhì)對磷的吸附量趨于飽和. 混合基質(zhì)A、混合基質(zhì)B在實驗濃度范圍內(nèi)對磷的吸附量一直保持較高水平, 在溶液質(zhì)量濃度小于20 mg·L-1時是6種基質(zhì)中磷吸附量最大的材料, 溶液質(zhì)量濃度大于30 mg·L-1時吸附量僅次于蛭石和煤渣.火山石、煤渣在高濃度溶液中吸附量增加趨勢明顯, 但在低濃度溶液中對污染物吸附性能差,在雨水污染物濃度范圍內(nèi)幾乎不起作用.

圖1 基質(zhì)對磷的等溫吸附曲線Fig.1 Isothermal adsorption curves of phosphorus

(2) 各基質(zhì)對磷的吸附率.根據(jù)相關(guān)研究顯示,雨水徑流中磷酸鹽的平均質(zhì)量濃度為0.2～6.12 mg·L-1[12,17-18]. 選取溶液質(zhì)量濃度為2和4 mg·L-1時的實驗數(shù)據(jù)計算各基質(zhì)在相應濃度下對磷的吸附能力,用吸附率進行表示,吸附率等于基質(zhì)吸附磷酸鹽濃度與溶液濃度之比.

如圖2所示,在質(zhì)量濃度為2 mg·L-1時除火山石外各基質(zhì)對磷的吸附率均大于質(zhì)量濃度為4 mg·L-1時的吸附率,各基質(zhì)對磷的吸附率從高到低排序為蛭石>基質(zhì)A>基質(zhì)B>陶粒>煤渣>火山石,其中蛭石在質(zhì)量濃度為2 mg·L-1時對磷的吸附率達到27.5%.

圖2 不同質(zhì)量濃度下各基質(zhì)對磷的吸附率

Fig.2 Adsorption rate of the substrates for phosphorus in different concentrations

(3) 各基質(zhì)對磷的等溫吸附曲線擬合.使用Langmuir和Freundlich模型對各基質(zhì)進行等溫吸附擬合,獲得各參數(shù)如表1所示.表中R2代表各基質(zhì)與模型的擬合相似性,R值越大擬合效果越好,由表1可看出兩個模型均能較好地擬合6種基質(zhì)對磷的吸附特性.Langmuir模型中煤渣、火山石、基質(zhì)A、基質(zhì)B的R2值大于95%,蛭石、陶粒也在87%之上;Freundlich模型中蛭石、陶粒、煤渣、火山石的R2值均大于95%,基質(zhì)A、基質(zhì)B的R2值在90%以上.這說明在對磷的吸附過程中,4種單一基質(zhì)的等溫吸附曲線都能通過langmuir或者Freundlich模型進行擬合,Q0由大到小排列為煤渣>火山石>蛭石>基質(zhì)A>基質(zhì)B>陶粒.KL越大,說明基質(zhì)對污染物的吸附力越大,污染物越不易解析,KL由大到小的排序為基質(zhì)A>基質(zhì)B>陶粒>蛭石>煤渣=火山石.K值由大到小排序為基質(zhì)A>基質(zhì)B>蛭石>陶粒>煤渣>火山石;1/n值越小基質(zhì)吸附性能越好,1/n由小到大排序為基質(zhì)A<基質(zhì)B<陶粒<蛭石<火山石<煤渣.

表1 各基質(zhì)對磷的等溫吸附方程參數(shù)Table 1 Parameters of isothermal adsorption equation for phosphorus

經(jīng)過綜合分析基質(zhì)對磷的吸附性能由好到差的排序為基質(zhì)A、基質(zhì)B、蛭石、煤渣、陶粒、火山石.由此可知,混合基質(zhì)A、基質(zhì)B對磷的吸附性能好于各單個基質(zhì)性能.

2.2 基質(zhì)對氨氮的等溫吸附特性

(1) 各基質(zhì)對氨氮的等溫吸附曲線.繪制各基質(zhì)對氨氮的等溫吸附曲線如圖3所示.由圖可看出各基質(zhì)對氨氮的吸附量隨著溶液濃度的增加而增加.基質(zhì)A、蛭石及火山石對氨氮的吸附趨勢基本相同,吸附速率相對穩(wěn)定,質(zhì)量濃度在0～200 mg·L-1內(nèi)無明顯變化;基質(zhì)B在100 mg·L-1之前的各質(zhì)量濃度溶液中吸附量最大,150 mg·L-1時低于基質(zhì)A.陶粒在各質(zhì)量濃度溶液中吸附量都是最小的.陶粒和煤渣等溫吸附曲線走勢相似,且在50 mg·L-1后趨于飽和.

(2) 各基質(zhì)對氨氮的吸附率.根據(jù)相關(guān)研究顯示,雨水徑流中銨態(tài)氮的平均質(zhì)量濃度為8～12 mg·L-1[11].選取溶液質(zhì)量濃度為5和10 mg·L-1時的實驗數(shù)據(jù)計算各基質(zhì)對銨態(tài)氮的吸附率,比較各基質(zhì)對銨態(tài)氮的吸附能力(如圖4所示).在質(zhì)量濃度為5 mg·L-1時除火山石外各基質(zhì)對銨態(tài)氮的吸附率均大于質(zhì)量濃度為14%的吸附率,對水中污染物去除能力較強,吸附效果強于10 mg·L-1.質(zhì)量濃度在5 mg·L-1時各基質(zhì)對銨態(tài)氮的吸附率從高到低排序為蛭石>混合基質(zhì)A>混合基質(zhì)B>煤渣>陶粒>火山石.混合基質(zhì)B在溶液質(zhì)量濃度為10 mg·L-1時的吸附率高于質(zhì)量濃度為5 mg·L-1時的吸附率,各基質(zhì)在10 mg·L-1的溶液質(zhì)量濃度下吸附率由高到低排序為混合基質(zhì)B>混合基質(zhì)A>蛭石>火山石>陶粒=煤渣,其中煤渣、陶粒、火山石對銨態(tài)氮的吸附率小于5.3%,混合基質(zhì)A、混合基質(zhì)B對銨態(tài)氮吸附率均大于20%.

圖3 基質(zhì)對氨氮的等溫吸附曲線

圖4 不同質(zhì)量濃度下各基質(zhì)對氨氮的吸附率

Fig.4 Adsorption rate of the substrates to ammonia nitrogen in different concentrations

(3) 各基質(zhì)對氨氮的等溫吸附曲線擬合. 通過Langmuir和Freundlich吸附模型將各基質(zhì)對氨氮的吸附結(jié)果進行擬合, 擬合后各參數(shù)見表2.

表2 各基質(zhì)對氨氮的等溫吸附方程參數(shù)Table 2 Parameters of isothermal adsorption equation of the substrates for N-N

除煤渣(0.889)和火山石(0.870)外,Langmuir模型中R2值均大于0.95.在Freundlich模型中基質(zhì)A、蛭石的R2值均在0.98以上,除煤渣為0.856以外其余基質(zhì)B、陶粒、火山石均大于0.93.由表可得各基質(zhì)對氨氮的理論最大吸附量由大到小排序為基質(zhì)A>基質(zhì)B>蛭石>火山石>煤渣>陶粒;對各基質(zhì)吸附結(jié)合能常數(shù)由大到小排序為煤渣>陶粒>基質(zhì)B>蛭石>火山石>基質(zhì)A;對K吸附能力由大到小排序得:基質(zhì)B>煤渣>陶粒>基質(zhì)A>蛭石>火山石;對異質(zhì)性系數(shù)1/n由小到大排序為煤渣<陶粒<基質(zhì)B<火山石<基質(zhì)A<蛭石.經(jīng)綜合考慮,各基質(zhì)對氨氮的吸附性能由好到壞依次為基質(zhì)B、煤渣、陶粒、基質(zhì)A、蛭石、火山石.

3 結(jié) 論

(1) 針對氮磷污染物,采用Langmuir和Freundlich模型對基質(zhì)的吸附性能進行了研究,各基質(zhì)對磷的吸附量從大到小依次為基質(zhì)A、基質(zhì)B、蛭石、煤渣、陶粒、火山石;對氨氮的吸附量從大到小依次為基質(zhì)B、煤渣、陶粒、基質(zhì)A、蛭石、火山石.

(2) 混合基質(zhì)對氮磷的吸附性能整體優(yōu)于單個基質(zhì),混合基質(zhì)A為m(蛭石)∶m(沸石)∶m(煤渣)=3∶3∶4對磷的吸附量最好,混合基質(zhì)B為m(蛭石)∶m(沸石)∶m(陶粒)=3∶3∶4次之;氨氮的吸附中,基質(zhì)B性能最好.

(3) 針對城市雨水徑流處理,選取適當基質(zhì)進行混合能夠提高土壤滲濾系統(tǒng)對氮磷的吸附性能,起到優(yōu)化滲濾系統(tǒng)的作用.

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【責任編輯: 趙 炬】

Optimization and Adsorbability of Underlying Materials for Treatment of Urban Water Runoff

LiuYahuia,b,WangXina,b,WangHonga,b,NingZijiea,b,WangGuoqinga,b

(a. Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation, Ministry of Education, b. College of Environment, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Aiming at the problem of the single function of the filling surface of the urban rainwater runoff under the sponge city construction, 4 materials, vermiculite, cinder, ceramsite, and volcano stone, and mix substrate A(m(vermiculite)∶m(zeolite)∶m(cinder)=3∶3∶4) and B(m(vermiculite)∶m(zeolite)∶m(ceramsite)=3∶3∶4) are selected to study the adsorption performance. It is found that the isothermal adsorption performance of all these six fillers could be well described by Langmuire and Freundlich model. The results show that the adsorption performance of mixed substrates to ammonia nitrogen and phosphorus is better than that of single matrix. The introduction of mixed substrates into sponge city rainwater filtration system can improve the removal rate of rainwater runoff pollutants, which is beneficial to urban rainwater runoff control.

urban rainfall runoff; sponge city; underlying surface; substrate; adsorption property

2017-02-03

國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目(2013ZX07202-007).

劉雅慧(1990-),女,山東省濰坊人,沈陽大學碩士研究生.

2095-5456(2017)03-0192-05

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