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斜发沸石在人工湿地项目中的应用

信息来源:潍坊沸石生物技术开发中心 作者:

 

       研究了沸石人工湿地系统和沸石柱系统中的饱和沸石的生物再生过程,模拟了系统中沸石生物再生时遵循的动力学方程,结果证明,沸石在湿地中再生比在沸石曝气柱中再生效果好得多,而且沸石和土壤的不同的填载方式对沸石的再生具有重要影响。测定了湿地系统土壤阳离子交换容量、再生后沸石结构中元素的种类和含量、沸石生物膜量以及沸石再生时系统中氨氮、亚硝态氮和硝态氮的浓度,探究了湿地系统中沸石生物再生的机理。测定了沸石再生后再次交换氨氮的能力,氨交换容量可恢复到原来的87.0%以上。

      氮的去除是人工湿地技术所面临的一个难题,研究报导的氮的去除率多在20%~95%之间。沸石人工湿地是提高氮去除率的一种新的湿地系统,目前已有人做了相关研究。然而沸石床人工湿地脱氮面临这样的问题,即在系统运行前期沸石发挥主要作用时,氨氮的去除效果很好,等到沸石逐渐达到交换饱和,沸石就丧失了持续的去除氨氮的能力,湿地系统氨氮去除效果几乎恢复到未加沸石填料时的水平。
      本文主要解决湿地系统中饱和的沸石的再生问题,恢复沸石湿地对氨氮高去除率的优势。该系统处理污水可达到地表水质量标准,亦可考虑解决城市污水厂在气温较低时出水氨氮浓度过高的问题,即将城市污水厂二级出水排入湿地系统,利用沸石湿地的强去除能力脱氮,待到污水厂处理效果达标时停止向湿地排水,而利用湿地系统的综合作用使沸石中的氨氮解析出,并在系统中消耗掉,使湿地中沸石重新获得交换吸附能力。即人工湿地可以暂时作为氮的储存仓库,蓄满后再利用人工湿地系统的综合功能使沸石重新恢复交换氨氮的能力,这种在湿地系统中使沸石得到再生,并使从沸石中释放出来的氨氮在系统中消耗掉,从而重新获得高效、持续的脱氮能力,本试验称之为沸石人工湿地系统的脱氮调节再生功能
      使沸石人工湿地中沸石重新获得吸附交换氨氮的能力,涉及到沸石的再生问题,沸石的再生通常有以下几种方法:湿法、气提法、培烧法和生物法。
前三种方法在实验室中是很容易实现的,但是对于沸石人工湿地是不现实的,因为将沸石从湿地中取出再生,然后再放回系统,实际中难以现实。只有利用生物法,包括湿地系统中的植物、微生物以及介质的综合作用使沸石再生得以实现。
 
 
      目前实验室中利用硝化细菌作用再生沸石已有研究报道,但是沸石在湿地中的生物再生过程以及动力学模型尚未见报道。
本试验研究内容涉及沸石在湿地床中生物再生的可行性和沸石生物再生动力学方程的模拟。  
在沸石和土壤混匀状态下,芦苇沸石湿地系统和菖蒲沸石湿地系统对交换饱和的沸石的生物再生效果没有明显的差别。 
沸石和土壤的填载方式对沸石的再生有较大的影响,在第120天时,分层状态下的菖蒲沸石床的沸石中含的氨氮还有3.24 mg/g,远远高于混匀状态下的沸石中的氨氮含量。主要是因为分层填载时,沸石周围缺乏土壤,从而缺少大量可以与沸石中的氨氮进行交换的土壤阳离子,结果影响沸石再生进程。 
在湿地系统中和在沸石柱中的沸石生物再生效果差异是很大的。因此在实际工程中,沸石床人工湿地中的沸石交换性能发挥的作用减弱时,出水氨氮浓度升高,达不到设计要求时,可将湿地系统停下来,进水切换到平行的湿地系统,停止运行的湿地利用湿地系统的综合功能,使得沸石上的氨氮解析下来,大约需要3个月的时间即可恢复到原来的90%左右,又可以继续接受进水,去除氨氮。 
湿地系统土壤阳离子交换性能
土壤的阳离子交换性能是由土壤胶体表面性质所决定,由有机的交换基与无机的交换基所构成,前者主要是腐殖质酸,后者主要是粘土矿物。他们在土壤互相结合成复杂的有机无机胶质复合体,所能吸收的阳离子总量包括交换性盐基(主要是金属与非金属阳离子)和水解性酸,两者总和即为阳离子交换量。
土壤阳离子交换量对于结合各种阳离子特别是去除废水中的金属离子发挥着重要的作用。在湿地中,土壤阳离子及阳离子交换性能对交换饱和的沸石再生起着重要作用。其交换过程是土壤固相阳离子与溶液中的阳离子发生交换作用,进入溶液中的土壤阳离子又与沸石表面或者内部的铵离子发生交换。
 
土壤阳离子交换性能主要是由土壤本身性质所决定的。利用阳离子交换量大的土壤构建沸石湿地系统对氨氮饱和沸石的再生起重要作用。
 
交换饱和的沸石在湿地中的生物再生过程可以描述如下
由于湿地系统进不含NH4+的有机污水,沸石中的含NH4+量远高于沸石界外土壤中的含NH4+量,首先沸石表层结构上的孔道和空腔中的NH4+与土壤中的或者穿过沸石表面生物膜的土壤阳离子发生离子交换,土壤阳离子开始占据NH4+空出的交换位,NH4+在移出沸石表面时,在沸石表面生物膜中的和土壤中的亚硝酸细菌和硝酸细菌作用下,发生硝化过程,使NH4+浓度降低,从而维持一定的界内外NH4+浓度差。在开始阶段,由于沸石中的NH4+含量很高,而且主要使沸石表层结构中的交换位交换,所以这个交换速度是较快的,从图1部分的沸石生物再生动力学模拟曲线得以证明。
随着再生过程的延续,沸石外层结构中的NH4+因发生离子交换而被土壤阳离子替代,交换逐渐向沸石内部结构扩散,由于沸石深层的孔道和空腔较难利用,用NH4+交换时沸石深层中的NH4+就较少,所以在再生时,外界的土壤阳离子也不容易扩散进来,交换速率变得慢下来,图1中曲线也显示如此。在沸石中的NH4+含量降至0.45mg/g以下时,交换变得更加缓慢。
 从试验结果也可以得出,交换饱和的沸石生物再生以及交换下来的NH4+又在湿地系统中进行硝化和反硝化得以去除的过程必不可少的两个因素是:
(1)沸石界外必须具有可以与沸石中NH4+选择性交换的土壤阳离子;
  (2)沸石界面上生物膜中或直接与沸石接触的土壤中应该有硝化细菌和反硝化细菌。
 
 
结果证明,交换饱和的沸石生物再生以及交换下来的NH4+又在湿地系统中进行硝化和反硝化得以去除的过程必不可少的两个因素是:
a、沸石界外必须具有可以与沸石中NH4+选择性交换的土壤阳离子;
b、沸石界面上生物膜中或直接与沸石接触的土壤中应该有硝化细菌和反硝化细菌。
 (3) 沸石在湿地系统中经过运行后,逐渐达到交换饱和,利用湿地系统的综合作用使之再生后,恢复程度与交换溶液的NH4+浓度有关。
虽然在湿地系统中,沸石交换了土壤中的阳离子,且种类繁多,但是沸石仍然具有很大的交换容量,其氨氮交换能力可以恢复到原来的87.0%以上。