内电解基质铁铜比与水力停留时间对人工湿地处理效果的影响

曹晨亮,张毓媛,任丽君,安树青,冷 欣

(南京大学生命科学学院/ 湿地生态研究所,江苏 南京 210023)



内电解基质铁铜比与水力停留时间对人工湿地处理效果的影响

曹晨亮,张毓媛,任丽君,安树青,冷 欣①

(南京大学生命科学学院/ 湿地生态研究所,江苏 南京 210023)

选择不同铁铜质量比(1∶0、1∶0.05、1∶0.1和1∶0.2)的内电解基质构建表流型人工湿地,同时设定水力停留时间为1、2、3、4和5 h,研究2种影响因子对污水TP、CODCr和TN的处理效果。结果表明:不同铁铜比的内电解基质对TP的去除效果存在显著差异,对CODCr和TN的去除效果差异不显著。不同水力停留时间的净污效果也存在显著差异,水力停留时间越长,去污效率越高。不同内电解基质铁铜比与水力停留时间的交互作用对去除率影响不显著。

内电解基质;铁铜比;水力停留时间;人工湿地

人工湿地通过基质的过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污染物的高效净化以及废水资源化[1-3],目前被广泛应用于生活污水、工业废水[4]、矿山及石油开采废水[5]、农业点源污染和面源污染[6]以及水体富营养化的治理[7]。但是人工湿地也面临着基质的吸附饱和与堵塞等诸多问题,因此需要寻找一种性能持久、污染物负荷高的填料作为人工湿地基质填料。

内电解法是近20 a发展起来的颇为有效的废水处理方法,是利用金属铁为反应材料对废水中的污染物质进行还原处理而使其得到降解的水处理工艺;研究表明内电解法对废水中磷的去除有一定作用[8-9]。但传统的内电解法处理效果不理想,易板结,需定期处理,适宜的pH值范围较窄。国内外学者在传统内电解法的改进方面做了大量工作,相继报道了铁铜电解法[10]、铁铝电解法[11]和铁镍电解法[12-13],其中铁铜电解法研究最为广泛[14]。铁铜电解法又称为“催化铁内电解法”,将铁和铜混合构成腐蚀电偶体系,以金属铜为阴极代替铁炭法中的炭与铁构成原电池来形成铁铜双金属体系。与传统的铁炭法和铁屑法相比,铜的加入起到了电催化作用,扩大了电化学反应两极的电位差,提高了反应速率。铁铜法可以去除水中的持久性污染物[15],提高废水的可生化性。一方面,目前铁铜电解法处理废水主要在反应器中进行[16-17],很少有人将内电解法与人工湿地结合;另一方面,一般的人工湿地基质通过吸附、过滤和共沉等去除污染物,但是内电解基质却能通过内电解反应实现对污染物的降解,与一般的人工湿地基质有本质上的区别。

对传统的人工湿地基质加以改进,通过研究不同比例的铁铜内电解基质和不同水力停留时间(HRT)下的污水处理效果,探讨人工湿地铁铜内电解基质和水力停留时间及其交互作用对污水处理效果的影响,以期为人工湿地的长效运行以及处理效率的提高提供理论依据。

1 研究方法

1.1 实验装置构建与运行

1.1.1 实验材料

铸铁屑:将铸铁屑用w为10%的氢氧化钠溶液浸泡1 h后用自来水洗2～3次,然后用w为5%的硫酸溶液浸泡1 h后再用自来水洗2～3 次,最后用自来水洗浸泡12 h后备用。

铜屑:将铜屑用w为10%的氢氧化钠溶液浸泡1 h后用自来水洗2～3 次,然后用w为5%的硫酸溶液浸泡5 min后再用自来水洗2～3 次,最后用自来水洗浸泡12 h后备用。

1.1.2 进水水质

取样用水地点为贾鲁河郑州段支河——索须河,水质属于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅴ类,CODCr为93.67 mg·L-1,ρ(TN)为12.67 mg·L-1,ρ(TP)为3.33 mg·L-1。

1.1.3 实验装置

为了保证内电解反应充分进行,选择表流型人工湿地类型。综合考虑索须河流域流量[18]、水位等水文条件,设计表流型人工湿地床,其外壁长30 cm,宽18 cm,高24 cm。湿地床由聚氯乙烯板制成,板厚0.5 cm。湿地床内部两侧分别有高15和20 cm的隔板,2块隔板距人工湿地床前后端均为5 cm,与人工湿地床底面连接,2块隔板间距18 cm。高15 cm的隔板中间均匀分布3个出水孔,孔高距湿地床底面7.5 cm。进水管位于人工湿地床体正上方,平行于床体长度方向,进水管下壁有若干个间隔为1 cm 的小孔,孔径0.4 cm,污水可以经小孔进入人工湿地床。进水区采用孔管径为1 cm 的PVC管均匀布水。

实验设铸铁屑和铜屑投加比例、水力停留时间2个影响因素,参照王敏等[19]的研究,选择铸铁屑与铜屑投加比例,铸铁屑添加质量为3 kg,m(铸铁屑)∶m(铜屑)分别为1∶0(A)、1∶0.05(B)、1∶0.1(C)和1∶0.2(D)(图1);考虑到丰水期、枯水期和平水期不同时期水量,并参考周荣丰等[20]的研究,设定水力停留时间为1、2、3、4和5 h。

图1 表流型人工湿地污水配置构建示意

1.1.4 实验运行

实验在室内进行,实验周期为 2014年7月20日至8月8日。系统先试运行1周,先后使用自来水和污水在不同水力停留时间下各试运行1次,每次试运行结束及时清除残余污水,然后开始正式运行。每次运行结束后冲洗基质3次,然后隔12 h再继续运行,如此重复运行3次。

1.2 水样测定

每次运行结束后,从表流型人工湿地床的出水口取50 mL样水测定TN、TP含量。取部分水样调节pH值至8～9,搅拌、静置20 min,使Fe2+、Fe3+完全沉淀,过滤后取上清液测定CODCr。测定仪器为哈希分光光度仪(HACH-DR/2800)和消解仪(HACH-DRB/200)。

1.3 数据统计检验

用SPSS 21.0软件进行数据统计分析。结果按照内电解基质和水力停留时间2个影响因子分类统计,计算各自相应条件下污染物的去除率,然后对不同水力停留时间和不同质量比的铁铜内电解基质对CODCr、TN和TP的去除率进行平均值、标准差计算以及二维方差分析。

2 结果与讨论

2.1 不同质量比铁铜内电解基质处理效果比较

从图2可知,CODCr与TN去除率变化规律相似,在相同水力停留时间的运行条件下,不同质量比的铁铜内电解基质对CODCr与TN的去除效果差异不显著。原因有:(1)实验所用污水CODCr和ρ(TN)分别为93.7和12.7 mg·L-1,与其他研究[21-23]相比污染负荷过低。(2) 实验所用铁为铸铁屑,含有较多的杂质元素,其中的Fe3C、石墨等以极小的颗粒形式分散在铁基体中,与金属铁基体组成了腐蚀微电池。Fe3C、石墨等为阴极,加速了金属铁的阳极氧化腐蚀而释放出更多电子,促进有机污染物在阴极上的还原。由于铸铁屑本身对污染物就有一定的去除效率,所以不同质量比内电解基质对CODCr和TN去除效果差异不显著。如果只考虑对CODCr与TN的去除效果,铸铁屑可以单独应用到人工湿地中。

在5种水力停留时间条件下,内电解基质D对TP的去除率显著高于内电解基质A(P<0.05);在水力停留时间为4和5 h的运行条件下,内电解基质C对TP的去除率也显著高于内电解基质A(P<0.05)。内电解基质C与D对TP均有较高的去除率,这是因为内电解基质中铜比例的提高加快了内电解反应。铁被氧化生成的Fe2+量增多,在有氧条件下Fe2+被氧化为Fe3+,产生了更多的Fe2+和Fe3+,Fe2+与磷酸根形成难溶性的Fe3(PO4)2沉淀,Fe3+逐渐水解生成聚合度大的Fe(OH)3胶体絮凝剂,通过中和、吸附等作用将磷酸根去除[24]。此外,pH值升高幅度越大,产生的Fe3+及Fe(OH)3胶体絮凝剂越多,越有利于颗粒磷和无机磷酸盐的去除[25],所以内电解基质C与D对TP的去除率较高。

内电解基质A、B、C和D分别表示基质内铁铜质量比为1∶0、1∶0.05、1∶0.1和1∶0.2。就同一水力停留时间而言，直方柱上方英文小写字母不同表示不同内电解基质之间某指标差异显著(P<0.05)。

2.2 不同水力停留时间的处理效果比较

从图3可以看出,对于所有内电解基质而言,TN与CODCr有相似的去除机理,水力停留时间为4和5 h 的处理CODCr与TN去除率显著高于水力停留时间为1 h的处理(P<0.05)。水力停留时间为1 h时,4种质量比的铁铜内电解基质对CODCr与TN的去除率均小于25%。这是由于水力停留时间过短,污染物未及时反应就被带出湿地床,污水在基质床停留时间越长,内电解反应进行得越充分,CODCr与TN的去除率就越高,但水力停留时间3、4与5 h的处理CODCr与TN去除率差异不显著。

对于所有内电解基质而言,水力停留时间为5 h 的处理TP去除率显著高于水力停留时间为1 h的处理(P<0.05);水力停留时间为2、3、4 h的处理间TP去除率差异不显著(P>0.05)。对于所有内电解基质而言,随着水力停留时间的提高,铸铁屑逐渐溶解,内电解反应持续进行,去除率提高。水力停留时间为4和5 h时均有较好的去除效果。

内电解基质A、B、C和D分别表示基质内铁铜质量比为1∶0、1∶0.05、1∶0.1和1∶0.2。

2.3 不同内电解基质和水力停留时间交互影响下的处理效果

不同水力停留时间对CODCr、TN、TP去除效果差异极显著(P<0.01)。不同铁铜比对CODCr和TN去除效果差异不显著,对TP去除效果差异极显著(P<0.01)。水力停留时间和铁铜比的交互作用对CODCr、TN、TP去除效果差异均不显著(表1),即:不同水力停留时间条件下的CODCr、TN和TP去除率在4种不同铁铜质量比的内电解基质之间不存在差异。

表1 内电解基质铁铜比和水力停留时间及其交互作用对污染物去除效果的影响(P值)

Table 1 Effects of interior electrolytic substrate ratio, hydraulic retention time and their interactions on pollutant removal efficiency

因素CODCr去除率TN去除率TP去除率内电解基质铁铜比0.4880.100<0.001**水力停留时间<0.001**<0.001**<0.001**内电解基质铁铜比×水力停留时间0.3040.8730.804

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

3 结论

(1)4种质量比的铁铜内电解基质对CODCr、TN、TP均有一定的去除效果,其中铁铜比为1∶0.1和1∶0.2的内电解基质去除效果较好。

(2)水力停留时间对CODCr、TN、TP的去除效果有显著影响,适当延长水力停留时间可以提高内电解基质对CODCr、TN和TP的去除率,水力停留时间为4和5 h较为合适。

(3)不同铁铜比内电解基质对CODCr和TN的去除效果无显著影响,对TP的去除效果有极显著影响,水力停留时间和内电解基质铁铜质量比的交互作用对CODCr、TN、TP去除效果均无显著影响(P>0.05)。

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(责任编辑： 陈 昕)

Effects of Interior Electrolytic Substrates Fe-Cu Ratio and Hydraulic Retention Time on Pollutant Removal Efficiency of Constructed Wetlands.

CAO Chen-liang, ZHANG Yu-yuan, REN Li-jun, AN Shu-qing, LENG Xin

(Institute of Wetland Ecology/ School of Life Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

To investigate effects of interior electrolytic substrates Fe-Cu ratio and hydraulic retention time (HRT) on pollutant removal efficiencies of constructed wetlands, an experiment was carried out using surface flow constructed wetland beds different in interior electrolytic substrates Fe-Cu mass ratios (1∶0, 1∶0.05, 1∶0.1 and 1∶0.2) and in hydraulic retention time (1, 2, 3, 4 and 5 h). Data of the experiment were analyzed using two-way analysis of variance (ANOVA) with Fe-Cu interior electrolytic and HRT as two factors. Results show that TP removal efficiency of the bed varied sharply with Fe-Cu ratio, but CODCrand TN removal efficiencies did not. Pollutant removal efficiencies varied with hydraulic retention time, too, and the longer the HRT, the higher the pollutant removal efficiency. However, no significant effect of interactions between Fe-Cu interior electrolytic and hydraulic retention time was observed.

interior electrolytic substrates;Fe-Cu ratio;hydraulic retention time;constructed wetland

2015-09-14

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07204-001-004，2015ZX07204-002-04)

X703.1

A

1673-4831(2016)05-0808-05

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.018

曹晨亮(1991—),男,江苏南通人,硕士生,主要从事湿地生态学研究。E-mail: caochenliang@yeah.net

① 通信作者E-mail: lengx@nju.edu.cn