冯春翰,臧吴琪,杨林军
(1.南水北调东线江苏水源有限责任公司,江苏 南京 210019;
2.东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,江苏 南京 210096)
生态浮床是一种主要利用植物水培技术的生态治理系统,具有绿色经济、管理方便、不额外占用土地等优势,自20世纪70年代德国利用生态浮床净化水体后,浮床系统逐渐在亚洲、美国、欧洲和澳大利亚等地被广泛用于处理富营养化湖泊和河水。漂浮床体、植物、基质是生态浮床的主要组成部分[1],而植物吸收、基质吸附能力对生态浮床净水效果起到重要的作用,植物和基质的种类选择对构建适宜的生态浮床系统至关重要。
米氏学说是关于植物根系吸收能力及机理判断的理论基础,可以此为依据进行筛选吸收效果最佳植物[2];
等温吸附和吸附动力学则起到考察基质的吸附性能作用。因此,本研究选取常绿鸢尾(Iris tectorum)、水竹(Phyllostachysheteroclada)、黄菖蒲(Iris pseudacorus)、灯芯草(Juncus effuses)4种植物进行吸附动力学实验,计算其对NH3-N、TP的最大吸收速率(Imax)和米氏常数(Km),探讨其对污染物的吸附能力及适应能力;
选取砾石、蛭石、绿沸石和海绵铁4种基质,利用等温吸附和吸附动力学实验分析其对NH3-N、TP的去除效果,为生态浮床系统科学选取最佳植物和基质提供理论依据。
1.1 实验材料
本文选取的植物有常绿鸢尾、水竹、黄菖蒲、灯芯草;
选取的基质材料为砾石(Φ5~8 mm)、蛭石(Φ3~6mm)、绿沸石(Φ1~3mm)和海绵铁(Φ1~3mm);
基质用去离子水浸泡洗净、烘干备用。
植物放在人工培养箱中进行水培和实验。人工光照培养箱运行参数为光照时间(h)∶黑暗时间(h)=14∶10;
光照、黑暗时温度分别为25℃、20℃;
光照强度为3 000勒克斯(Lx);
湿度70%~80%。实验前植物定植于装有0.6 L营养液的烧杯中培养驯化,烧杯四周贴上黑色不透光锡纸,避免光照下营养液中滋生藻类,同时及时清理腐败的根、叶。
1.2 实验方法
1.2.1 水生植物动力学吸附特性研究
实验前对植株进行饥饿处理,消除自由空间中残留的氮磷元素对实验的影响。饥饿处理的步骤是:用去离子水将植物根部冲洗干净转入0.1mmol硫酸钙溶液中饥饿培养3 d。之后进行植物静态吸附实验,步骤为:分别在0 h、1 h、2 h、3 h、5 h、8 h、10 h、24 h、48 h、72 h、96 h时取水样来检测NH3-N、TP质量浓度,每次取完水样后便及时补充相同水量的去离子水,每组数据检测3次。试验结束后立即取出植株,并用去离子水冲洗干净,剪下根部放入烘箱中烘至恒重,称量根的干重。
1.2.2 基质等温吸附实验
5 g基质装入锥形瓶中,加入100mL溶液;
5组氮磷溶液浓度分别为NH3-N:5 mg/L、10 mg/L、20mg/L、50mg/L、100mg/L;
TP:2mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L、50mg/L;
锥形瓶置于恒温摇床中,于25℃、125 r/min条件下振荡48 h后进行取样,经0.45μm滤膜过滤后检测NH3-N、TP质量浓度,每组数据检测3次。
1.2.3 基质吸附动力学实验
5 g基质装入锥形瓶中,加入100mLNH3-N为20mg/L、TP质量浓度为5mg/L的溶液(加2~3滴氯仿溶液)。将锥形瓶置于恒温摇床中,于25℃、125 r/min条件下振荡,分别在0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h、36 h、48h时取样,经0.45μm滤膜过滤后检测NH3-N、TP质量浓度,每组数据检测3次。
1.3 计算公式
1.3.1 离子吸附动力学方程
离子消耗曲线方程:
式中:x为吸附时间,h;
y为处理离子质量浓度,mg/L。
对方程(1)求负导数,得浓度变化速率方程:
对方程(2),使x趋于0,则y′=-b即为浓度最大变化速率,由此可得到最大吸收速率Imax为
式中:V为吸附试验加入的溶液体积,L;
W为根干重。
将y′=-b/2带入方程(2)中可求出x值,将该值带入方程(1)所得的值即为Km(米氏常数,即植株吸收离子速率一半时的溶液中离子的浓度),Km越小,表明植物对NH3-N的亲和力越大。
公式中Imax高、Km低表示植物适应广泛的营养条件;
Imax、Km均高时,表明植物适应在高浓度营养物质水体生存;
当具有低Imax和低Km时,植物更适宜低浓度营养条件;
而低Imax和高Km表明此类植物在任意浓度营养条件下都不适宜[3]。
1.3.2 等温吸附方程
利用Langmuir和Freundlich等温吸附方程进行等温吸附拟合。
式中:qe为污染物的平衡吸附量,mg/g;
qm为污染物的最大吸附量,mg/g;
KL为Langmuir吸附常数,L/mg;
ce为污染物的平衡质量浓度,mg/L;
KF为Freundlich吸附常数,mg1-1/nL1/n/g;
1/n为异质因子。
1.3.3 动力学方程
利用准一级和准二级吸附动力学方程[4]进行基质吸附NH3-N、TP的动力学分析。式中:qt为t时刻污染物的吸附量,mg/g;
k1为一级动力学吸附速率常数,h-1;
t为吸附时间,h;
qe1为一级动力学平衡吸附量拟合值,mg/g;
qe2为准二级动力学平衡吸附量拟合值,mg/g;
k2为准二级动力学吸附速率常数,g/(mg·h)。
1.4 检测指标与方法
检测的指标为进出水中NH3-N和TP质量浓度;
采用纳氏试剂分光光度法测定NH3-N质量浓度、过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定TP质量浓度。利用Excel2016、Origin 2020进行数据处理与分析。
2.1 植物对NH3-N、TP的吸附动力学特性
4种植物对NH3-N、TP的吸附动力学特性结果如图1(a)、1(b)所示。黄菖蒲和水竹组的NH3-N质量浓度下降速度较快,水体中NH3-N质量浓度在72 h左右趋近0;
常绿鸢尾和灯芯草组中NH3-N质量浓度的降低趋近线性变化。黄菖蒲、常绿鸢尾对TP的吸附曲线下降最为明显,分别在24 h、48 h内对TP的去除率达到50%以上;
灯芯草和水竹对TP的吸收能力逊于黄菖蒲和常绿鸢尾,吸附时间在100 h左右时对TP的吸收效率才达35%左右。
图1 植物对NH3-N、TP的吸附动力学拟合曲线
表1和表2为各植物对NH3-N、TP的吸附动力学参数计算结果。4种植物对NH3-N的Imax由大到小排序为黄菖蒲>水竹>灯芯草>常绿鸢尾,亲和力由大到小为常绿鸢尾>水竹>黄菖蒲>灯芯草。黄菖蒲对TP的最大吸附效率分别是常绿鸢尾、灯芯草、水竹的1.46、4.39、6.23倍左右,差异显著(P<0.05);
亲和力由大到小为常绿鸢尾>黄菖蒲>灯芯草>水竹。故对于NH3-N来说,黄菖蒲具有最高Imax和较高Km,适应高浓度的NH3-N污染水体;
常绿鸢尾具有最低Imax和最小Km,适应低浓度的NH3-N污染水体;
灯芯草具有较低Imax和最大Km,不适宜栽种于生态浮床中用以去除NH3-N。对于TP来说,黄菖蒲具有最高Imax和最小Km,黄菖蒲适应广泛浓度的TP污染水体;
而水竹的Imax最小,Km最大,因此最不适宜栽种于生态浮床中用于去除TP。综合考虑NH3-N、TP的Imax值和Km值,黄菖蒲是作为生态浮床植物的最佳选择。
表1 NH3-N吸附动力学方程参数拟合结果
表2 TP吸附动力学方程参数拟合结果
其次由表1、表2中吸附动力学参数的计算结果可知,NH3-N的吸收效率(Imax)均远高于TP。高雪梅等[5]动力学吸附实验计算显示13种水生植物对NH3-N的Imax均远远大于对TP的Imax;
韩璐瑶等[6]研究6种蔬菜吸附氮磷动力学结果亦显示,NH3-N、硝态氮的Imax是TP的10倍左右。这可能是因为氮素是水生植物最先吸收的营养物质。
2.2 基质的等温吸附特性
2.2.1 NH3-N等温吸附
图2(a)和图2(b)分别是4种基质对NH3-N的Langmuir、Freundlich等温吸附曲线图。由图2可以看出,绿沸石对NH3-N的吸附量最大,砾石与之较为接近,蛭石与海绵铁吸附NH3-N的能力与绿沸石、砾石存在一定差距。
图2 4种基质对NH3-N的等温吸附曲线
Langmuir和Freundlich方程的拟合结果如表3所示。R2数据显示,Langmuir方程对基质等温吸附NH3-N的拟合效果更佳。绿沸石对NH3-N的最大吸附量最高,达1.290mg/g,参数kL值越大,表明吸附的更牢固紧密,后续不容易脱附析出[7],4种基质对NH3-N吸附牢固程度由大到小分别是:绿沸石、砾石、蛭石、海绵铁,绿沸石对NH3-N的吸附效果最佳。李俊义等[8]发现,比表面积越大的沸石,平均吸附和解吸孔径越小,越容易留住铵离子,所以吸附的NH3-N量越多。一般认为,1/n<0.5表明吸附质极易被吸附,4种基质的1/n值由大到小依次为蛭石>海绵铁>绿沸石>砾石,均小于0.5,表明4种基质对NH3-N的吸附能力均较强。综合实验结果和等温吸附方程拟合结果,可以看出4种基质对NH3-N吸附能力由强到弱顺序为绿沸石、砾石、蛭石、海绵铁。
表3 4种基质对NH3-N的等温吸附模型参数
2.2.2 TP等温吸附
图3(a)和图3(b)分别是4种基质对TP的Langmuir、Freundlich等温吸附曲线图。由图3看出海绵铁吸附的TP量最多,对TP的吸附能力最强;
蛭石对TP的吸附能力最弱。相较而言,绿沸石和海绵铁对TP的吸附效果远优于砾石和蛭石。
图3 4种基质对TP的等温吸附曲线
Langmuir和Freundlich方程的拟合结果如表4所示。由R2数据显示,Langmuir方程对基质等温吸附TP的拟合效果更佳。海绵铁对TP的最大吸附量最高,达到0.963mg/g。天然基质中含有的金属离子可以与水体中磷元素结合发生化学反应,海绵铁含有的金属离子比较丰富,如K、Si、Ca、Na[9],这可能是海绵铁比其他3种基质吸附的TP更多的原因。由kL值可以看出4种基质对TP吸附牢固程度由大到小分别是海绵铁、绿沸石、砾石、蛭石。4种基质对TP的1/n大于NH3-N,表明相较于TP基质更易吸附NH3-N。综合拟合结果,可以看出海绵铁对TP的最大吸附量、吸附牢固程度最大,具有最大的TP吸附能力,其次为绿沸石、砾石,蛭石对TP的吸附效果整体最差。
表4 4种基质对TP的等温吸附模型参数
2.3 基质的动力学吸附特性
2.3.1 NH3-N吸附动力学
图4(a)和4(b)分别是4种基质的NH3-N吸附准一级和准二级动力学方程拟合图。由表5中拟合结果来看,准二级动力学模型在模拟基质吸附NH3-N动力学过程上具有更高的精确度,说明基质吸附NH3-N受化学吸附的影响。准二级动力学模拟得出的平衡吸附量qe2比准一级动力学的qe1更接近实测平衡吸附量qe。绿沸石的平衡吸附量最大,砾石和海绵铁对NH3-N的吸附速率较快。综合动力学拟合参数,绿沸石和砾石对NH3-N的吸附能力较佳。
表5 NH3-N吸附准一级和准二级动力学拟合参数结果
图4 4种基质对NH3-N吸附的动力学模型拟合
图5(a)和5(b)分别是4种基质的TP吸附准一级和准二级动力学方程拟合图。由表6中动力学参数拟合结果来看,准二级动力学模型在模拟基质吸附TP动力学过程上具有更高的准确度,同样说明基质吸附TP受化学吸附的影响。4种基质对TP的平衡吸附量(qe2)由大到小依次为绿沸石、海绵铁、砾石、蛭石;
k2显示各基质对TP的吸附速率快慢,基质对TP吸附速率由快到慢依次为海绵铁、砾石、绿沸石、蛭石。综合考虑qe2值和k2值,海绵铁对TP的吸附效果最佳。赵东源等[10]对沸石、陶粒等基质进行吸附TP动力学分析实验,结果亦显示准二级动力学在模拟含磷污水的平衡吸附量时表现更佳。
表6 TP吸附准一级和准二级动力学拟合参数结果
图5 4种基质对TP吸附的准一级和准二级动力学模型拟合
综上,绿沸石对NH3-N的吸附量最多、吸附强度最大;
海绵铁对TP的吸附量大、吸附牢固程度最大、吸附速率最快。因此,绿沸石和海绵铁适合作为组合基质用于生态浮床系统中,以保证生态浮床去除水体氮、磷元素。
黄菖蒲适应高浓度NH3-N、宽范围TP质量浓度的污染水体,其对NH3-N、TP具有较高的吸收速率和亲和力,适合作为生态浮床植物净化水体。
4种基质对NH3-N、TP的吸附过程符合Langmuir等温方程和准二级动力学方程,吸附过程为单分子层吸附,受化学吸附的影响。4种基质对NH3-N的吸附效果依次为绿沸石>砾石>蛭石>海绵铁;
对TP的吸附效果依次为海绵铁>绿沸石>砾石>蛭石。绿沸石和海绵铁适合作为组合基质应用于生态浮床。