城市雨水径流下垫面基质优化与吸附性能

刘雅慧, 王 鑫, 王 洪, 宁梓洁, 王国庆(沈阳大学 a. 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, b. 环境学院, 辽宁 沈阳 110044)



城市雨水径流下垫面基质优化与吸附性能

刘雅慧a,b, 王 鑫a,b, 王 洪a,b, 宁梓洁a,b, 王国庆a,b
(沈阳大学 a. 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, b. 环境学院, 辽宁 沈阳 110044)

针对海绵城市建设中城市雨水径流下垫面填充基质功能单一问题,选取蛭石、煤渣、陶粒、火山石4种基质和基质A、基质B两种混合基质(基质A为m(蛭石)∶m(沸石)∶m(煤渣)=3∶3∶4,基质B为m(蛭石)∶m(沸石)∶m(陶粒)=3∶3∶4)进行吸附性能研究,发现6种填料均能较好的用Langmuire和Freundlich模型等温吸附式描述.综合分析得出混合基质对氨氮和磷的吸附性能强于单一基质,将混合基质引入海绵城市雨水渗滤系统可以提高雨水径流污染物的去除率,有利于城市雨水径流阻控.

城市雨水径流; 海绵城市; 下垫面; 基质; 吸附性能

随着城市化进程的加快,城市下垫面硬化面积不断增加,雨水可渗透面积减少,使城市雨水径流量增多,形成城市内涝、雨水径流污染等问题.城市雨水径流污染具有来源广泛、污染物组分复杂、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,会污染水体,造成水体富营养化等灾害[1-3].据美国国家环保署信息,雨水径流面源污染已被列为导致水体污染的第三大污染源[4-7].

为解决城市雨水问题, 全国各地正在开展海绵城市建设. 土壤渗滤作为海绵城市建设中的重要手段, 也越来越多的应用于城市雨水径流的储渗、净化等多方面. 土壤渗滤具有成本低、运行维护简单、处理效果好、美化环境等优点[8-10]. 基质是土壤渗滤功能的决定性因素, 不仅能为微生物提供附着表面, 同时还能吸附污染物质[11]. 因此改良基质,寻求吸附力强、渗透性能好、价格低廉、可应用性高的填料是构建雨水渗滤系统的关键.

雨水渗滤系统具备净化径流污染物和削减径流量的功能.但是,目前填充基质相对单一,污染物去除率有待提高.本研究选取几种典型基质进行吸附性能实验,优化基质选配,提高雨水渗滤系统净化功能,为城市雨水径流污染阻控提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 供试材料

根据材料性质、价格、易获得程度等原则选取蛭石、沸石、陶粒、火山石和煤渣5种常见材料,其中蛭石、绿沸石、陶粒和火山石购买自某园艺市场,煤渣取自沈阳大学锅炉房无烟煤燃烧后产物,经筛分后备用.

蛭石、沸石、陶粒、火山石、煤渣的比表面积大,吸附性能好,可为微生物提供生长载体.各基质配比通过查阅文献借鉴土地渗滤系统中基质使用量确定.共选取蛭石、煤渣、陶粒、火山石4种基质和基质A、基质B两种混合基质共6种基质进行等温吸附实验,研究其对总磷和氨氮的吸附性能.基质A质量比为m(蛭石)∶m(沸石)∶m(煤渣)=3∶3∶4,基质B质量比为m(蛭石)∶m(沸石)∶m(陶粒)=3∶3∶4.

1.2 实验方法

实验前准备:将备选基质用自来水冲洗干净,再用超纯水润洗3次.放入烘箱中,在105 ℃下烘干2 h.将烘干后的材料进行研磨,选取粒径在0.25～0.850 mm之间颗粒进行实验.将研磨好的材料再次用自来水冲洗2次,超纯水润洗2次,放入烘箱,在105 ℃下烘干10 h[12-13].烘干放凉后用密封袋保存并进行实验.

所需试剂:配置质量浓度为0、5、10、20、30、40、50、100和200 mg·L-1的氯化铵溶液各1 000 mL备用;配置质量浓度为0、1、2、4、8、10、20、30和60 mg·L-1的磷酸二氢钾溶液1 000 mL备用.

实验步骤[13-14]:分别准确称取1 g不同基质,基质置于250 mL具塞锥形瓶内,分别加入50 mL不同质量浓度(0、5、10、20、30、40、50、100、200 mg·L-1)的NH4Cl溶液于28 ℃恒温摇床振荡24 h(190 r/min ),沉淀30 min,取上清液经三层定量滤纸过滤,测定溶液浓度.以同样的步骤做KH2PO4的吸附实验.以上实验的每个浓度另作1个平行样.根据震荡前后氨氮、磷浓度的变化值分别计算氨氮、磷的吸附量,选用Freundlich和Langmuir模型对其吸附等温线进行拟合对比分析.氨氮采用纳氏试剂分光光度法,磷采用钼锑抗分分光光度法.

1.3 数据分析方法

根据测定结果分别计算蛭石、陶粒、煤渣、火山石、基质A、基质B对铵态氮和磷的吸附量,绘制等温吸附曲线,并用Langmuir和Freundlich等温吸附模型进行拟合,从而表征各基质的吸附特性,求出各基质的最大吸附量.

吸附量的计算公式为

式中,qe为单位质量吸附剂吸附平衡时的实际吸附量(mg·g-1);ρ0为溶液中溶质的起始质量浓度(mg·L-1);ρe为吸附平衡时溶液中溶质的质量浓度(mg·L-1);V为溶液的体积(L);m为吸附剂的质量(g).

基质的吸附性能通过吸附等温线进行表述,选用典型的Langmuir和Freundlich等温吸附模型对数据进行拟合[15-16].

Langmuir模型方程为

Freundlich模型方程为

式中,Q0为吸附剂理论最大吸附量(mg·g-1);KL、K、1/n均为常数,KL代表吸附结合能,K代表吸附能力,1/n为与吸附和表面异质性有关的异质因子.

2 结果与讨论

2.1 基质对磷的等温吸附特性

(1) 各基质对磷的等温吸附曲线.各基质对磷的等温吸附曲线如图1所示. 各基质对磷的吸附量随着溶液浓度的增加而增加.蛭石对磷的吸附效果最好,火山石吸附效果最差,煤渣在溶液质量浓度小于10 mg·L-1时吸附量小,仅高于陶粒和火山石,但煤渣吸附性能随溶液质量浓度增加变化明显, 随着溶液质量浓度的增加煤渣吸附性能迅速增加, 到60 mg·L-1时与蛭石吸附量相当, 且曲线斜率仍然较大,说明煤渣表面还有足够的吸附空间,对磷的吸附量在60 mg·L-1时还达不到饱和, 可适用于更大质量浓度的磷酸盐溶液. 混合基质A、混合基质B、陶粒对磷的等温吸附曲线变化特征相似,溶液质量浓度小于20 mg·L-1时曲线斜率相对较大, 基质对磷的吸附量增加迅速,20～60 mg·L-1之间基质对磷的吸附增加缓慢,说明基质对磷的吸附量趋于饱和. 混合基质A、混合基质B在实验浓度范围内对磷的吸附量一直保持较高水平, 在溶液质量浓度小于20 mg·L-1时是6种基质中磷吸附量最大的材料, 溶液质量浓度大于30 mg·L-1时吸附量仅次于蛭石和煤渣.火山石、煤渣在高浓度溶液中吸附量增加趋势明显, 但在低浓度溶液中对污染物吸附性能差,在雨水污染物浓度范围内几乎不起作用.

图1 基质对磷的等温吸附曲线Fig.1 Isothermal adsorption curves of phosphorus

(2) 各基质对磷的吸附率.根据相关研究显示,雨水径流中磷酸盐的平均质量浓度为0.2～6.12 mg·L-1[12,17-18]. 选取溶液质量浓度为2和4 mg·L-1时的实验数据计算各基质在相应浓度下对磷的吸附能力,用吸附率进行表示,吸附率等于基质吸附磷酸盐浓度与溶液浓度之比.

如图2所示,在质量浓度为2 mg·L-1时除火山石外各基质对磷的吸附率均大于质量浓度为4 mg·L-1时的吸附率,各基质对磷的吸附率从高到低排序为蛭石>基质A>基质B>陶粒>煤渣>火山石,其中蛭石在质量浓度为2 mg·L-1时对磷的吸附率达到27.5%.

图2 不同质量浓度下各基质对磷的吸附率

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

(3) 各基质对磷的等温吸附曲线拟合.使用Langmuir和Freundlich模型对各基质进行等温吸附拟合,获得各参数如表1所示.表中R2代表各基质与模型的拟合相似性,R值越大拟合效果越好,由表1可看出两个模型均能较好地拟合6种基质对磷的吸附特性.Langmuir模型中煤渣、火山石、基质A、基质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%,基质A、基质B的R2值在90%以上.这说明在对磷的吸附过程中,4种单一基质的等温吸附曲线都能通过langmuir或者Freundlich模型进行拟合,Q0由大到小排列为煤渣>火山石>蛭石>基质A>基质B>陶粒.KL越大,说明基质对污染物的吸附力越大,污染物越不易解析,KL由大到小的排序为基质A>基质B>陶粒>蛭石>煤渣=火山石.K值由大到小排序为基质A>基质B>蛭石>陶粒>煤渣>火山石;1/n值越小基质吸附性能越好,1/n由小到大排序为基质A<基质B<陶粒<蛭石<火山石<煤渣.

表1 各基质对磷的等温吸附方程参数Table 1 Parameters of isothermal adsorption equation for phosphorus

经过综合分析基质对磷的吸附性能由好到差的排序为基质A、基质B、蛭石、煤渣、陶粒、火山石.由此可知,混合基质A、基质B对磷的吸附性能好于各单个基质性能.

2.2 基质对氨氮的等温吸附特性

(1) 各基质对氨氮的等温吸附曲线.绘制各基质对氨氮的等温吸附曲线如图3所示.由图可看出各基质对氨氮的吸附量随着溶液浓度的增加而增加.基质A、蛭石及火山石对氨氮的吸附趋势基本相同,吸附速率相对稳定,质量浓度在0～200 mg·L-1内无明显变化;基质B在100 mg·L-1之前的各质量浓度溶液中吸附量最大,150 mg·L-1时低于基质A.陶粒在各质量浓度溶液中吸附量都是最小的.陶粒和煤渣等温吸附曲线走势相似,且在50 mg·L-1后趋于饱和.

(2) 各基质对氨氮的吸附率.根据相关研究显示,雨水径流中铵态氮的平均质量浓度为8～12 mg·L-1[11].选取溶液质量浓度为5和10 mg·L-1时的实验数据计算各基质对铵态氮的吸附率,比较各基质对铵态氮的吸附能力(如图4所示).在质量浓度为5 mg·L-1时除火山石外各基质对铵态氮的吸附率均大于质量浓度为14%的吸附率,对水中污染物去除能力较强,吸附效果强于10 mg·L-1.质量浓度在5 mg·L-1时各基质对铵态氮的吸附率从高到低排序为蛭石>混合基质A>混合基质B>煤渣>陶粒>火山石.混合基质B在溶液质量浓度为10 mg·L-1时的吸附率高于质量浓度为5 mg·L-1时的吸附率,各基质在10 mg·L-1的溶液质量浓度下吸附率由高到低排序为混合基质B>混合基质A>蛭石>火山石>陶粒=煤渣,其中煤渣、陶粒、火山石对铵态氮的吸附率小于5.3%,混合基质A、混合基质B对铵态氮吸附率均大于20%.

图3 基质对氨氮的等温吸附曲线

图4 不同质量浓度下各基质对氨氮的吸附率

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

(3) 各基质对氨氮的等温吸附曲线拟合. 通过Langmuir和Freundlich吸附模型将各基质对氨氮的吸附结果进行拟合, 拟合后各参数见表2.

表2 各基质对氨氮的等温吸附方程参数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模型中基质A、蛭石的R2值均在0.98以上,除煤渣为0.856以外其余基质B、陶粒、火山石均大于0.93.由表可得各基质对氨氮的理论最大吸附量由大到小排序为基质A>基质B>蛭石>火山石>煤渣>陶粒;对各基质吸附结合能常数由大到小排序为煤渣>陶粒>基质B>蛭石>火山石>基质A;对K吸附能力由大到小排序得:基质B>煤渣>陶粒>基质A>蛭石>火山石;对异质性系数1/n由小到大排序为煤渣<陶粒<基质B<火山石<基质A<蛭石.经综合考虑,各基质对氨氮的吸附性能由好到坏依次为基质B、煤渣、陶粒、基质A、蛭石、火山石.

3 结 论

(1) 针对氮磷污染物,采用Langmuir和Freundlich模型对基质的吸附性能进行了研究,各基质对磷的吸附量从大到小依次为基质A、基质B、蛭石、煤渣、陶粒、火山石;对氨氮的吸附量从大到小依次为基质B、煤渣、陶粒、基质A、蛭石、火山石.

(2) 混合基质对氮磷的吸附性能整体优于单个基质,混合基质A为m(蛭石)∶m(沸石)∶m(煤渣)=3∶3∶4对磷的吸附量最好,混合基质B为m(蛭石)∶m(沸石)∶m(陶粒)=3∶3∶4次之;氨氮的吸附中,基质B性能最好.

(3) 针对城市雨水径流处理,选取适当基质进行混合能够提高土壤渗滤系统对氮磷的吸附性能,起到优化渗滤系统的作用.

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【责任编辑: 赵 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

国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2013ZX07202-007).

刘雅慧(1990-),女,山东省潍坊人,沈阳大学硕士研究生.

2095-5456(2017)03-0192-05

X 703

A