随着我国经济的快速发展和城市化水平的提升, 城市河道、景观水体及农村中小河道受外源排污、水体不畅及生态系统破坏等因素影响, 有机污染物、总磷 (TP) 和氨氮 (NH4+-N) 等污染物超标较为严重, 导致水体出现异味和富营养化等现象。对于上述水体的净化, 近年来多采用河道曝气、生物接触氧化、人工湿地和生态浮床等原位生态处理技术进行治理。但受限于河道建设条件、河道景观要求等, 上述处理措施的应用规模和维护成本均受到一定限制。若能在治理过程中合理使用具有污染物去除能力、并能为生物生长提供良好环境的材料, 用作湿地填料、底泥改性、建造河道护坡或墙体等, 则能够有效扩展水处理的范围, 降低建设和维护成本, 提升河道生态功能和自净能力。
在河道水处理的实践和探索过程中, 人们发现部分材料可以通过物理吸附或化学吸附的方式, 去除水体中的氨氮、TP等污染物。
研究和工程实践显示, 沸石、石灰岩、砾石、粗砂、页岩、火山岩、粉煤灰制品、钢渣、生物陶粒等材料都具有一定的污染物去除能力。
赵占军[1]等人研究发现, 对于沸石、圆陶粒、粗砂、页岩、砾石这几种材料, 在相同进水水质和水力负荷下, 沸石对氨氮的吸附量最大, 但对TP的吸附量最小;砾石对TP的吸附量最大, 粗砂次之。赵桂瑜[2]分别用沸石、干渣、砾石、页岩陶粒、钢渣和白云石用作人工湿地的基质, 研究其除磷效果。试验结果表明, 钢渣对磷的理论饱和吸附量最大, 达到3.55×104mg/kg, 其次是干渣, 白云石吸附效果最差。钢渣对磷的吸附作用属于化学吸附, 其实质是钢渣中溶出的Ca2+与溶液中磷酸根离子发生反应;干渣吸附除磷过程中包括物理吸附和化学吸附两种途径, 其中以Ca2+与磷酸根离子之间的化学吸附为主, 砾石、沸石、白云石和页岩陶粒则属于物理吸附。作者认为, 六种基质中, 钢渣和干渣最适宜用作人工湿地基质材料。
史鹏博等人[3]考察了沸石、火山岩、空心砖、钢渣4种填料污染物去除效果的差异。实验结果表明, Langmuir模型能够较好地模拟填料对氮、磷的吸附过程。各填料对氨氮的饱和吸附量大小为沸石 (2388.92 mg/kg) >空心砖 (618.39 mg/kg) >火山岩 (310.84 mg/kg) ;对磷的饱和吸附量大小为空心砖 (3051.57 mg/kg) >钢渣 (2863.69 mg/kg) >火山岩 (1102.78 mg/kg) >沸石 (717.15 mg/kg) 。
刘波等人[4]的研究结果表明, 对紫色土、河沙、页岩、石灰岩这几种材料, TP理论饱和吸附量大小顺序依次为石灰岩>河沙>页岩>紫色土, 分别为666.67、500.00、434.78和416.67 mg/kg。吸附速率大小顺序则为:石灰岩>页岩>河沙>紫色土, 综合考虑石灰岩的吸附除磷效果最好。
武俊梅[5]等人在高水力负荷 (2400-3400mm/d) 条件下, 以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣和生物陶粒为填料, 进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验 (历时25个月) , 结果显示, 随着系统的运行, 各填料对COD的去除能力均有不同程度提高, 沸石对污水中氮素的去除率显著性高于其他填料, 对TN和氨氮的平均去除率分别高达82.03%和91.32%, 并且处理效果稳定, 陶瓷滤料和蛭石次之;钢渣和无烟煤具有长期去除磷素的能力, 生物陶粒次之, 其中钢渣对TP和可溶性反应磷 (SRP) 的平均去除率分别高达89.61%和96.77%, 且净化效果稳定。
粉煤灰作为燃煤电厂的主要固体废弃物, 其产量大、占地量大且污染环境。吴斌[6]在其硕士论文中, 探讨了利用粉煤灰为原料制成粉煤灰沸石进行污水处理的可能性。试验结果显示, 合成沸石对污水中氨氮和磷酸盐有较好的去除效果, 其中氨氮吸附机理为阳离子交换作用, 对磷的去除除化学沉淀作用外尚有其他吸附机制。利用粉煤灰沸石滤柱处理废水具有成本低、进水水质要求低、易于管理操作等优点, 但其处理效率相比传统生物法偏低, 出水氨氮和磷浓度较高。刘超等人[7]用建筑废料粉煤灰砖块作为人工湿地填料, 考查了其除磷能力。试验结果表明, 填料对磷的静态吸附过程符合Langmuir等温式, 磷的理论饱和吸附量为44.62mg/g, 粉煤灰砖块废料的吸附沉淀作用是磷固定的主要途径。
曾丽璇等人[8]采用单一粒级的碎石作为粗骨料, 水泥、粉煤灰和化学添加剂为胶结材料制备新型人工湿地生态填料, 进行农村生活污水处理试验。试验结果显示, 新型填料试验组中污水中COD、氨氮和TP分别下降到50、8、1 mg/L以下, 达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 的一级B标准;当COD/氨氮 (质量比) 为9～13, 氨氮浓度为20～55 mg/L, TP为3～10 mg/L时, 人工生态填料的去除效果较好。
张道方等[9]利用天然沸石和泥炭作为原材料, 水泥作为粘结剂研制的合成材料对氨氮和总磷有很好的去除效果, 对初始浓度为10mg/L的氨氮溶液的吸附量为131mg/kg, 对初始浓度为1 mg/L的总磷溶液的吸附量为31 mg/kg。崔素萍等[10]发明了一种可吸附重金属离子的透水砖, 利用沸石的离子交换特性和较大的比表面积, 这种砖在保证其原有性能的基础上, 提高了对Zn2+、Pb2+等重金属离子的吸附。
生态混凝土作为一种集建材与去污功能于一体的材料, 早已在河道水处理中得到应用。刘宝剑[11]的研究表明, 生态混凝土具有多孔性和较大的比表面积, 可通过离子交换和吸附作用对Pb2+等重金属离子进行去除, 并通过表面形成的生物膜对有机污染物进行去除。若生态混凝土中含有较多的镁离子, 其在缓慢释放出过程中会与污水中的铵离子发生离子交换, 铵离子被多孔混凝土巨大的表面积所吸附, 依靠硝化菌的生物化学作用逐步硝化, 最终成为氮气释放到大气中;此外, 从生态混凝土上脱离出来的镁离子还能与污水中的磷酸根离子反应, 生成磷酸氢镁三水化合物沉淀。为提高去除污水中氮、磷等营养物质的效果, 可在生态混凝土中人为掺加镁离子。
孙立明等人[12]用某建筑工地废弃的加气混凝土砌块为原料, 经碾碎过筛后, 得粒径为0.01～1.0mm的碎渣, 用其进行除磷试验。试验结果表明, 其对污水中磷的吸附特性符合Freundlich吸附等温线, 最大磷吸附量为0.535g/g, 加气混凝土砌块碎渣中含有的大量活性氧化硅、氧化钙、氧化铁、氧化铝等成分是其具有优异吸附效果的原因。但本实验中配制的磷酸盐溶液浓度较高, 与河道水体的条件有较大差异。丁海旭和赵巍[13]利用废建材气块砖作为湿地填料, 以某农村近百人的生活污水处理为示范工程, 研究了水平潜流人工湿地的处理效果, 发现气块砖对磷酸二氢钾的吸附容量可以达到5590 mg/kg, 高于陶粒和火山岩。
根据已查得的文献资料, 对上文提到材料的污染物去除性能进行了总结, 如表1所示。
可见, 沸石对氨氮具有良好的去除效果, 钢渣、粉煤灰制品、石灰岩、火山岩、加气混凝土块等材料对总磷具有良好的去除效果。
部分材料在不同文献中的吸附能力差异较大, 与原料来源、粒级、溶液初始浓度、反应条件等均有关系, 还需进行进一步的分析。
从上文可见, 目前的研究和应用中, 吸附性除污材料主要被用作填料来进行水质处理。材料多制成较小粒级的颗粒, 这样有助于增加与水体的吸附接触面积, 并便于更换。实验用到的溶液污染物浓度与自然水体有一定差异, 用于实际工程前需要进行进一步研究。
将吸附性材料制成建材代替普通砖、混凝土等进行河道工程建设以期实现水中污染物的去除, 已有一些探索, 但面临以下问题, 仍需进行探索。
1) 材料粒级增大后比表面积下降, 吸附能力降低。
2) 吸附性材料作为建材使用时, 仅有一面或数面与水体接触, 材料吸附利用率不高。
3) 材料作为建材被使用后, 更换难度大, 吸附饱和后便会失效。
4) 建材需在强度上符合相关建设标准, 对制作工艺有一定的要求。
1) 沸石对氨氮具有良好的去除效果, 钢渣、粉煤灰制品、加气混凝土块等对总磷具有良好的去除效果, 具有在实际工程中应用的潜力。
2) 材料的来源、粒级、加工方法、水体污染物浓度、反应条件等均会影响其吸附容量和处理效果, 各类材料的吸附机理、应用条件等仍要持续研究。
3) 制成复合材料后 (生态混凝土、透水砖等) , 材料吸附处理效果会降低, 如何在维持材料强度的同时保留较大的有效吸附面积、探索改性建材的最佳应用条件和应用场合, 是今后重要的研究方向。
摘要：本文对常见吸附性材料近年来在生态河道建设中的应用情况进行了探讨。研究和应用实例显示, 吸附性材料可作为河道建设材料和湿地填料等, 是生态河道建设的重要材料。其中沸石对氨氮具有良好的去除效果, 钢渣、粉煤灰制品、加气混凝土块等材料对总磷具有良好的去除效果, 部分混凝土块能作为水生植物生长的良好载体。
关键词：生态修复,吸附,填料,氨氮,总磷
[1] 赵占军, 王玉杰, 王云琦. 5种人工湿地填料对氨氮和磷的吸附效果研究[J].浙江林业科技, 2011, 31 (1) :28-32.
[2] 赵桂瑜.人工湿地除磷基质筛选及其吸附机理研究:[D].上海:同济大学, 2007.
[3] 史鹏博, 朱洪涛, 孙德智.人工湿地不同填料组合去除典型污染物的研究[J].环境科学学报, 2014, 34 (3) :704-711.
[4] 刘波, 陈玉成, 王莉玮等. 4种人工湿地填料对磷的吸附特性分析[J].环境工程学报, 2010, 4 (1) :44-48.
[5] 武俊梅, 王荣, 徐栋等.垂直流人工湿地不同填料长期运行效果研究[J].中国环境科学, 2010, 30 (5) :633-638.
[6] 吴斌.粉煤合成沸石及其在脱氮除磷的研究:[D].安徽:安徽理工大学, 2010.
[7] 刘超, 杨永哲, 宛娜.建筑废料粉煤灰砖块作为人工湿地填料的除磷能力研究[J].水处理技术, 2013, 39 (8) :30-33.
[8] 曾丽璇, 李晨, 吕向红等.新型人工湿地生态填料净化生活污水的试验研究[J].环境污染与防治, 2012, 34 (9) :24-27, 32.
[9] 张道方, 史利芳, 许智华.沸石泥炭合成材料及其脱氮除磷实验研究[J].能源研究与信息, 2011, 27 (1) :1-6.
[10] 崔素萍.一种呵吸附重金属离子的透水砖[P].CP:201110108789, 2011-07-20.
[11] 刘宝剑.生态混凝土净化生活污水研究:[D].广西:桂林理工大学, 2009.
[12] 孙立明, 卿惠广, 汪春霞.加气混凝土砌块碎渣对磷吸附特性的研究[J].工业安全与环保, 2009, 35 (8) :16-17.
[13] 丁海旭, 赵巍.利用废建材气块砖处理农村污水的工程示范[J].上海建设科技, 2012, (3) :45-46, 64.
推荐阅读：
用于VOCs吸附的碳质材料研究09-12
吸附剂应用于环境治理论文提纲11-15
吸附材料在重金属废水中的应用09-11
沸石-活性炭复合材料的吸附性能研究09-12
贵金属分离富集新吸附材料的研究进展05-11
吸附剂应用于环境治理论文（共3篇）04-28
活性氧化铝吸附材料（共5篇）03-01
吸附分离技术的应用及其最新进展09-12
