砷是廣泛存在于環(huán)境中的劇毒元素。目前，國(guó)內(nèi)外許多研究者都在研究和開發(fā)新的高效除砷技術(shù)和除砷材料。水體砷污染的處理方法包括物理、化學(xué)以及生物等多種技術(shù)手段。由于傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法運(yùn)行成本都很高，并且會(huì)造成二次污染，因此傳統(tǒng)方法在工程中的應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展方面存在著許多負(fù)面影響。地下滲濾系統(tǒng)是一種人工強(qiáng)化的水體生態(tài)處理技術(shù)，它具有不影響地面景觀、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、管理簡(jiǎn)便、污水處理效果穩(wěn)定等特點(diǎn)，地下滲濾被廣泛應(yīng)用于對(duì)生活污水中氮、磷及有機(jī)污染物的去除，但是研究地下滲濾系統(tǒng)對(duì)廢水中砷的去除還鮮見報(bào)道。因此，筆者提出一種以石英砂或陶粒為填料的地下滲濾系統(tǒng)作為除砷裝置，并考察此處理裝置對(duì)砷的去除效果，對(duì)該系統(tǒng)處理砷污染水體的可行性進(jìn)行初步探討。
1 試驗(yàn)方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
模擬污水 ： 向自來(lái)水中投加水合砷酸氫二鈉（Na2HAsO4·7H2O），并投加一定比例的葡萄糖、氯化銨以及磷酸二氫鈉，其水質(zhì)為：As 0.05～0.5 mg/L，COD 30～40 mg/L，NH3-N 1～4 mg/L，TP 0.2～1.0 mg/L，pH 6.5～7.5，水溫15～20 ℃。
土壤是昆明紅壤，過(guò)8 mm 篩網(wǎng)，其容重1.16g/cm3，相對(duì)密度2.13，總孔隙度45%，毛管孔隙度34.8%，飽和含水量50.8%，有機(jī)質(zhì)4.3%，顆粒含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.3%的粉粒和29.8%的砂粒。石英砂：SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%，容重1.75 g/cm3，相對(duì)密度2.67，可溶率0.40%，灰粉率0.25%，空隙率43%，耐強(qiáng)酸，耐堿度也良好。陶粒：粒徑0.5~1.0 mm，孔隙率55%~78%，容重0.75~0.80 g/cm3，相對(duì)密度1.52，比表面積3 980m2/m3，濾速20~25 m/h，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)62%~68%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%~22%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%~9%。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
根據(jù)填料層填料不同，將地下滲濾系統(tǒng)分為石英砂滲濾系統(tǒng)和陶粒滲濾系統(tǒng)，分別安裝裝置。試驗(yàn)裝置如圖 1 所示。
試驗(yàn)裝置的材料均采用PVC 工程塑料，內(nèi)部自上而下依次裝填表層土壤、布水層（陶粒）、填料層（石英砂或陶粒）、排水層（礫石）等，高度分別為10、10、50、10 cm，總高度80 cm。布水層采用1～3 cm 的陶粒，其布水管采用直徑為16 mm 的PVC 管，其水平長(zhǎng)度為25 cm，每隔3 cm 在管兩側(cè)平行設(shè)置直徑為1.5 mm 的出水孔，管表面用0.15 mm 紗網(wǎng)包裹，以防止土壤滲透到布水孔內(nèi)，堵塞布水孔，布水管深度15 cm。兩個(gè)裝置的填料層分別裝填的是石英砂和陶粒，粒徑均為0.5～1.0 mm，填料層高度為50 cm。填料層底部為10 cm 礫石層，礫石直徑為3～5 cm，出水口設(shè)在礫石層中部，距離地面高度為8 cm。系統(tǒng)裝填容器尺寸為30 cm×30 cm×80 cm。
1.3 試驗(yàn)方法
系統(tǒng)運(yùn)行前，先按5 cm3/（cm2·d）水力負(fù)荷投配自來(lái)水運(yùn)行一周，使填料含水率達(dá)到飽和。然后在表面水力負(fù)荷5 cm3/（cm2·d），濕干比為1∶1 條件下試運(yùn)行一個(gè)月（啟動(dòng)階段）。接下來(lái)，在10、20、30cm3/（cm2·d）水力負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行共40 d（運(yùn)行階段）。
1.4 分析測(cè)定方法
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)出水項(xiàng)目包括：COD、氨氮、總磷、As（Ⅴ），分別使用高錳酸鉀滴定法、納氏試劑法、鉬銻抗分光光度法和二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法。系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行期間，每隔30 d 測(cè)1 次土壤中總砷含量，方法按《土壤質(zhì)量總砷的測(cè)定二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法》（GB/T 17134—1997）執(zhí)行。另外還測(cè)定了土壤、石英砂和陶粒對(duì)As（Ⅴ）的吸附效果，結(jié)果表明土壤對(duì)As（Ⅴ）的最大吸附容量為0.91 mg/g，而石英砂和陶粒則基本不存在吸附。
2 結(jié)果與討論
2.1 啟動(dòng)階段
啟動(dòng)階段是使系統(tǒng)出水達(dá)到穩(wěn)定很重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)橄到y(tǒng)去除污染物是依靠系統(tǒng)內(nèi)微生物和填料共同作用，而不是僅靠填料物理化學(xué)性質(zhì)能夠達(dá)到的。本研究中，兩個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)都采用自然啟動(dòng)方式，間歇式進(jìn)水，污水投配12 h，落干12 h，以此來(lái)維持反應(yīng)系統(tǒng)干濕交錯(cuò)的環(huán)境，為系統(tǒng)內(nèi)微生物的生長(zhǎng)繁殖提供良好條件。啟動(dòng)階段兩系統(tǒng)對(duì)廢水中As（Ⅴ）的去除情況見圖 2。
由圖 2 可看出，兩系統(tǒng)都表現(xiàn)出了較高的As（Ⅴ）去除率，在啟動(dòng)初期，去除率有較大的波動(dòng)幅度，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，系統(tǒng)對(duì)As（Ⅴ）的去除率處于上升趨勢(shì)，并于24 d 后兩系統(tǒng)的去除率基本達(dá)到穩(wěn)定，而且波動(dòng)幅度逐漸減小，去除率趨于穩(wěn)定。整個(gè)啟動(dòng)階段去除率的上升和波動(dòng)的減小是因?yàn)橄到y(tǒng)中微生物逐漸適應(yīng)入水水質(zhì)并逐漸繁殖直至穩(wěn)定。比較兩系統(tǒng)的As（Ⅴ）去除率可知，石英砂系統(tǒng)的去除率略高于陶粒系統(tǒng)。這是因?yàn)槭⑸傲叫∮谔樟�，所以填料的空隙較小而孔隙率較大，污水在石英砂填料中的滲透速率小于陶粒系統(tǒng)，且污水與系統(tǒng)中的微生物接觸更充分，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)也更徹底。后期穩(wěn)定階段，石英砂系統(tǒng)和陶粒系統(tǒng)對(duì)As（Ⅴ）的平均去除率分別為94.38%和92.89%。在整個(gè)啟動(dòng)階段，進(jìn)水中砷質(zhì)量濃度在0.05~0.2 mg/L，而在此過(guò)程中，出水砷質(zhì)量濃度基本都低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)限值0.05 mg/L。
2.2 運(yùn)行階段
運(yùn)行階段兩系統(tǒng)在不同水力負(fù)荷下對(duì)As（Ⅴ）的去除率見圖 3。
由圖 3 可知，隨著水力負(fù)荷增加，石英砂系統(tǒng)和陶粒系統(tǒng)的As（Ⅴ）去除率均有不同程度的下降，且波動(dòng)的幅度均有所提高。比較兩系統(tǒng)的去除率得出，在水力負(fù)荷分別為10、20 cm3/（cm2·d）條件下，石英砂系統(tǒng)去除率和穩(wěn)定性都較陶粒系統(tǒng)高。因此，可推斷在水力負(fù)荷較低的條件下，石英砂系統(tǒng)由于其孔隙率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)污水中的As（Ⅴ）去除得更徹底。當(dāng)水力負(fù)荷提高到30 cm3/（cm2·d）時(shí)，陶粒系統(tǒng)的As（Ⅴ）去除率和穩(wěn)定性較石英砂系統(tǒng)高，這說(shuō)明陶粒系統(tǒng)相比石英砂系統(tǒng)對(duì)水力負(fù)荷具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。其原因可能是因?yàn)殡S著水力負(fù)荷的提高，石英砂系統(tǒng)滲流速率不夠，污水長(zhǎng)時(shí)間停留于填料內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)中微生物的正常生長(zhǎng)造成了一定的影響，所以去除率大幅下降。而對(duì)于陶粒系統(tǒng)，由于其孔隙較大，提高水力負(fù)荷僅僅是提高了其滲透速率，縮短了污水在系統(tǒng)中的停留時(shí)間，所以去除率的下降幅度相對(duì)較小。
本研究除考察了兩系統(tǒng)對(duì)砷的去除能力外，還考察了兩系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水中COD、氨氮和總磷的去除情況，見表 1。
表 1 兩系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果
|
mg/L | ||||||||
|
監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 |
As （ Ⅴ ） |
COD |
NH 3 -N |
TP |
||||
|
進(jìn)水 |
0.05 ～ 0.5 |
30 ～ 40 |
1 ～ 4 |
0.2 ～ 1 |
||||
|
石英砂系統(tǒng)出水 |
0.013 |
4.79 |
0.012 |
0.025 |
||||
|
陶粒系統(tǒng)出水 |
0.019 |
5.28 |
0.090 |
0.039 |
||||
|
注：水力負(fù)荷 10 cm 3 / （ cm 2 ·d ）；濕干比 1 ∶ 1 。 | ||||||||
由表 1 可知，石英砂系統(tǒng)各項(xiàng)出水水質(zhì)指標(biāo)要略好于陶粒系統(tǒng)，并且在幾項(xiàng)出水指標(biāo)中，兩系統(tǒng)的As（Ⅴ）、COD 和氨氮出水水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總磷達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。石英砂系統(tǒng)對(duì)于氨氮和總磷的去除能力要優(yōu)于陶粒系統(tǒng)，可能是氨氮和總磷通過(guò)石英砂的毛管作用轉(zhuǎn)移到上層土壤，并通過(guò)土壤的作用和植物吸收而從污水中去除。由此可見，依賴于系統(tǒng)中的微生物的活動(dòng)及系統(tǒng)的微環(huán)境，這兩個(gè)地下滲濾系統(tǒng)不僅對(duì)As（Ⅴ）具有良好的去除效果，而且對(duì)水中COD、氨氮和磷都有很好的去除率。
2.3 土壤中砷的累積
系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行期間，每隔30 d 測(cè)1 次土壤中總砷含量，土壤中砷的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.03×10-6 ，使用30 d 后，兩套系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.27×10-6 、7.17×10-6 ，60 d 后兩套系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.004×10-5 、7.32×10-6 。結(jié)果表明：石英砂系統(tǒng)表層的土壤對(duì)砷累積較大，而陶粒系統(tǒng)表層土壤對(duì)砷的累積較小。但是兩系統(tǒng)的土壤中總砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）Ⅰ類土壤標(biāo)準(zhǔn)砷的標(biāo)準(zhǔn)限值1.5×10-5 。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
單從兩個(gè)系統(tǒng)土壤中砷的積累來(lái)看，陶粒系統(tǒng)明顯好于石英砂系統(tǒng)，土壤中砷的積累程度不大，究其原因，可能是由于陶粒系統(tǒng)的空隙較大，污水在布水層的停留時(shí)間較短，毛管浸潤(rùn)作用沒有石英砂系統(tǒng)明顯，不利于污水通過(guò)毛管浸潤(rùn)作用向土壤表層擴(kuò)散。根據(jù)土地毛管浸潤(rùn)裝置的原理來(lái)看，污水在布水層停留時(shí)間越長(zhǎng)越有利于污水向表層土壤中擴(kuò)散，擴(kuò)散到表層土壤中的污水，可以通過(guò)植物吸收、微生物分解以及土壤自身物理化學(xué)作用降解得到凈化。
3 結(jié)論
初步研究了石英砂和陶粒為填料的兩套地下滲濾系統(tǒng)對(duì)低濃度含砷廢水的去除效果，發(fā)現(xiàn)這兩套系統(tǒng)對(duì)廢水中As（Ⅴ）的去除效果較好，處理后水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。石英砂系統(tǒng)對(duì)As（Ⅴ）的去除率較陶粒系統(tǒng)高，但是石英砂系統(tǒng)的抗水力負(fù)荷能力較陶粒系統(tǒng)低，陶粒系統(tǒng)的表層土壤對(duì)砷的累積較石英砂系統(tǒng)小。這兩套地下滲濾系統(tǒng)對(duì)廢水中COD、氨氮和總磷也有較好的去除效果。綜上所述，石英砂系統(tǒng)適合于水力負(fù)荷較低的含砷廢水，而對(duì)于水力負(fù)荷較高的含砷廢水，使用陶粒系統(tǒng)較為合適。
