石英砂滤床除苯酚的试验研究

谢水波¹， 娄金生¹， 熊正为¹， 王允麒²
（1.中南工学院建筑工程系，湖南 衡阳 421001； 2.武汉工业大学 土木与建筑学院， 武汉430072）

　　摘 要：结合石英砂滤床模型试验，研究了石英砂滤床的除酚效果与机理，提出了相关数学模型，并通过工程实例进行了验证。研究表明，该数学模型较客观地 反映了石英砂滤床的除酚规律与含水层的除酚情况，可用于受微量酚污染河水为主要补给源 的水源井设计中井水含酚浓度的预测。?
　　关键词：石英砂滤床；除酚；含水层?
　　中图分类号：TU991.24
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2000)08-0008-04

Research on Phenol Removal by Quartz Sand Filter

XIE Shui bo¹，LOU Jin sheng¹，XIONG Zheng wei¹， WANG Yun qi²
1.Depart.of Architec.Eng.,Zhongnan Univ.of Tech.,Hengyang 421001,China; 2. School of Civil Eng.and Architec.,Wuhan Univ.of Tech.Wuhan 430072,China)

　　Abstract：By the experiment on quartz sand filter, the effect and mechanism of phenol removal were studied. A related mathematical model was presented and d emonstrated by a project case. The results showed that the model described objec tively the phenol removal pattern in the quartz sand filter and in the aquifer, and could be used to predict the phenol concentration in the design of water wel l which was made up by river water polluted by trace amount of phenol.
　　Keywords:quartz sand filter;phenol removal;aquifer

　　基金项目：湖北省纵向科研资助项目

　　受污染的饮用水水源中，含酚浓度在大多数情况下＜0.01 mg/L，为微量。对饮用水中微量 酚的去除一般有臭氧氧化法、活性炭吸附法等，但由于费用较高，目前在我国尚难以普遍推 广。笔者试图采用从河流水体岸边或底部的含水层中截取河床渗透水的“诱渗”^［1］取水方式来去除水源中的微量酚，并对石英砂滤床与含水层除酚进行了一系列的试验研究。?

　　1 试验方法

　　1.1 试验装置与方法
　　试验装置为一根140mm的有机玻璃管柱，其高度可按需要调整。管柱底板上钻有10mm的圆孔，孔隙率为25%，其上覆盖尼龙网以防石英砂流失，管柱中装填粒径为0.5～1.2mm的石英砂。
　　试验分两阶段：第一阶段采用以长江水为水源的武汉市自来水，向配水箱内的自来水中投加 苯酚，配制成给定浓度的含苯酚原水，用水泵提升至滤柱中进行除酚试验；第二阶段试 验用水则为上述原水、生活污水、淘米水三者按2.5∶1.5∶0.5的比例配制(简称混合试验用水) 。第一、二阶段的试验数据是滤柱分别连续运行5d和25d后取进、出水样测得的，分别进行了酚、溶解氧、pH值及水温四个项目的测定，酚的浓度采用4-氨基安替比林直接光度法测定，并对滤柱中石英砂表层的菌胶团、丝状菌、杆菌等进行了显微镜检测。
　　1.2 试验结果与讨论
　　第一、二阶段试验时的水温分别为23～24 ℃、12～15 ℃；pH值为6.5～6.8；第一阶段试验时的进 、出水溶解氧分别为7.36～7.76mg/L、7.1～7.66mg/L，第二阶段试验时进、出水溶解氧分别为8.23～9.87mg/L、0.90～6.93mg/L；第一阶段试验前期的进、出水溶解氧几乎一致，仅后期的出水溶解氧较之进水略低，而第二阶段试验开始，用显微镜观察发现滤柱中石英砂表面出现菌胶团之后，出水溶解氧比进水明显降低，最多低达90%，进水苯酚浓度对苯酚去除率的影响见图1。

　　试验结果分析：
　　① 进水苯酚浓度对苯酚去除率的影响?
　　由图1可见，在所试验的苯酚浓度下，石英砂滤层均有一定的除酚效果，并随进水苯酚浓度 降低，苯酚去除率呈显著升高。在忽略试验连续时间影响的条件下，当进水苯酚 浓度均从?0.03 mg/L?降至?0.008 mg/L?时，经4 m厚石英砂层渗滤后，第一、第二 试验阶段的苯酚 去除率分别从26.67%增大到35%和从36.67%增大到45%。
　　② 石英砂层厚度对苯酚去除率的影响?
　　在进水苯酚浓度、试验连续时间相同的条件下，随着石英砂层增厚，苯酚去除率也随之提高 (见图2)。如在连续试验的第6 d，由单一试验用水配制的进水苯酚浓度为0.03 mg/L条件下，分别经1m、2m、4m厚石英砂层渗滤后，苯酚去除率相应为20%、23.33%、26.67%。?

　　

　　不同厚度石英砂层的除酚试验结果还表明，当进水苯酚浓度较低(＜0.03mg/L)时，苯酚的去除基本上都是在滤柱进水的前部分1m石英砂层中完成的，后续的生产试验也表明，石英砂层厚度进一步增大，苯酚的去除率增加甚微，但有相同的趋势。?
　　③试验连续时间对苯酚去除率的影响?
　　在进水苯酚浓度、石英砂层厚度一定的条件下，苯酚去除率随试验连续时间延长而有所增大 ，如当进水苯酚浓度为0.008 mg/L，试验连续时间自第二阶段试验的第28d到第42d时，经1m、2m、4m石英砂层渗滤后苯酚去除率相应从35.1%、37%和40.8%增大到38.7%、41.25%和45%(见图3)。

　　由以上分析可知，进水苯酚浓度对苯酚去除率影响显著，而石英砂层厚度、试验连续时间对 苯酚去除率亦有影响，为次要影响因素。滤池及河床渗井的滤层均多为人工滤层，其渗透系 数较大，相关试验表明渗透系数减小，除酚效果有所提高，但单位产水量较低，因而本试验 着重研究常规滤层渗透系数的情况。至于不同试验水源，全部试验资料都证明它对苯酚去除 率基本没有影响。

　　2 石英砂滤床除酚的数学模型

　　为建立一个与石英砂层实际除酚效果相吻合的数学模型，必须弄清试验过程中酚的挥发究竟 对试验结果有多大影响。研究表明，进水含酚量＜300mg/L时，酚挥发量较少或极微。本试验进水苯酚浓度均≯0.2 mg/L，远远低于上述值，且第一阶段试验时的水温为23～24℃，第二阶段试验时还下降到12～15 ℃，故可忽略酚的挥发对试验结果的影响。基于前述对影响苯酚去除率因素的分析，从动力学角度对石英砂层的物理化学、生物学等除酚规律进行研究，固定某些参数，考察其他参数之间的关系，发现参数之间均存在指数关系，选择下式描述石英砂层的除酚公式：?
　　C ＝ KC₀^αZ^βT^γ? (1)?
　　式中　C ——出水苯酚浓度，mg/L?
　　　　　C₀——进水苯酚浓度，mg/L?
　　　　　Z ——石英砂层厚度，m?
　　　　　T ——试验连续时间，d?
　　　　　K、α、β、γ?——常数及三参数的指数?
　　对试验数据进行数理统计计算后，得到下列公式：?
　　C＝1.49C^₀1.11Z^-0.075T^-0.094 (2)?

　　3 数学模型的验证与应用

　　［实例1］湖北英山县某公司在河床上建有一座井底进水非完整河床渗井，井深为5.6m，在该井连续运行256d测得井周河水含酚浓度为0.002mg/L时，井水含酚浓度为0.0008mg/L 。在该井连续运行466d测得井周河水含酚浓度为0.006mg/L时，井水含酚浓度为0.002mg/L。?
　　当井周河水含酚浓度已知时，根据式(2)来预测井水含酚浓度，需知道垂直于河水渗滤方向 的含水层厚度。为简便起见，通过对各种不同埋深(h)条件下的井底进水非完整河床渗井集 水流网分析，得到以下关系式：?
　　Z_含＝1.72h (3)?
　　按式(3)计算，h＝5.6m时的Z_含＝9.63m，并代入式(2)得
　　C_T＝256d＝1.49×0.002^1.11×9.63^-0.075×256^-0.094＝0.000 75 mg/L；C_T＝466d＝0.0024mg/L。
　　［实例2］重庆市某造船厂在长江河床上建造的井底进水非完整河床渗井的埋深为5.0m ，在 该井投产运行15 d测得井周江水酚的浓度为0.018mg/L时，井水含酚浓度为0.012 mg/L，将 h值代入式(3)求出Z_含＝8.6 m后代入式(2)得C＝1.49×0.018^1.11×8.6^-0.075×15^-0.094＝0.0114mg/L。
　　经对工程实例中井水含酚浓度实测值与按式(2)计算值进行比较，二者基本吻合，公式的精 度大致在89%～95%左右，表明式(2)较真实地反映了含水层的除酚情况。?

　　4 石英砂层与含水层的除酚机理

　　4.1 对苯酚的吸附作用
　　粒径为0.5～1.2mm颗粒的石英砂层与由不同粒径颗粒构成的各种含水层，不仅都具有巨大的表面积，而且颗粒的表面一般带有负电荷。苯酚分子的羟基(-OH)中O的电负性为3.5，而H的电负性为2.1，因而羟基中O与H形成的共价键的共用电子便明显偏向O，致使O带部分负电 荷，H则带部分正电荷，在颗粒表面的静电引力作用下，苯酚分子便被颗粒表面所吸附。在第一、第二阶段试验刚开始的头几天与河床渗井的投产初期，人工配制的含苯酚污水与受酚污染河水分别经石英砂滤层与含水层渗滤后含酚浓度的降低，主要表现为颗粒表面的吸附作用。
　　4.2 颗粒表面吸附与微生物分解的联合作用
　　据研究，大多数细菌等电点的pH值为3～4，而水中细菌细胞表面电荷的性质受pH值控制，即水的pH值低于细菌等电点时，细菌细胞表面带正电荷，反之则带负电荷。试验时人工配制的原水接近中性水，故细菌细胞表面带负电荷，细菌通过“类氢键”将酚吸附于自身表面，进而被吸入体内进行分解。因此，第一、二阶段试验的石英砂层除酚效率随试验时 间延长而提高，显微镜观察发现石英砂表层有胶菌团、丝状菌和杆菌生长。在实际工程中，含水层随生产运行时间的延长，除酚效率提高，这主要是颗粒表面吸附与微生物吸附分解作用逐 渐增强所致。

　　5 结论

　　① 经石英砂滤床渗滤去除湖北英山、重庆等地受污染河水中的微量酚，获得了良好效果。当含酚浓度为0.006 mg/L的河水经河床含水层渗滤，井水含酚浓度降到了0.002mg/L以下，酚去除率近70%。
　　②通过滤柱试验建立起来的石英砂滤床除酚数学模型，可用于预测受酚污染河水经含水层渗滤进入井后的井水含酚浓度，滤层厚度越大，除酚效果越好。?
　　③含水层去除受污染河水中的微量酚是颗粒表面吸附与微生物吸附、分解综合作用的结果。?
　　④当受微量酚污染河水经含水层渗滤进入井后的井水含酚浓度仍超过国家生活饮用水水质标准时，只需酌情投加0.0001～0.0003mg/LKMnO4即可。

　　参考文献：
　　［1］王允麒，谢水波.流网法在辐射管出水量计量中的应用［J］.中国给水排水，1995，11(4)：4-7.

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作者简介：谢水波(1964-)，男，湖南岳阳人，中南工学院副教授，硕士，研究方向：水污染控制优化和水处理工程。
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收稿日期：2000-02-24