謝水波¹， 婁金生¹， 熊正為¹， 王允麒²
（1.中南工學(xué)院建筑工程系，湖南 衡陽(yáng) 421001； 2.武漢工業(yè)大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 武漢430072）

　　摘 要：結(jié)合石英砂濾床模型試驗(yàn)，研究了石英砂濾床的除酚效果與機(jī)理，提出了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明，該數(shù)學(xué)模型較客觀地 反映了石英砂濾床的除酚規(guī)律與含水層的除酚情況，可用于受微量酚污染河水為主要補(bǔ)給源 的水源井設(shè)計(jì)中井水含酚濃度的預(yù)測(cè)。?
　　關(guān)鍵詞：石英砂濾床；除酚；含水層?
　　中圖分類號(hào)：TU991.24
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：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

　　基金項(xiàng)目：湖北省縱向科研資助項(xiàng)目

　　受污染的飲用水水源中，含酚濃度在大多數(shù)情況下＜0.01 mg/L，為微量。對(duì)飲用水中微量 酚的去除一般有臭氧氧化法、活性炭吸附法等，但由于費(fèi)用較高，目前在我國(guó)尚難以普遍推 廣。筆者試圖采用從河流水體岸邊或底部的含水層中截取河床滲透水的“誘滲”^［1］取水方式來(lái)去除水源中的微量酚，并對(duì)石英砂濾床與含水層除酚進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。?

　　1 試驗(yàn)方法

　　1.1 試驗(yàn)裝置與方法
　　試驗(yàn)裝置為一根140mm的有機(jī)玻璃管柱，其高度可按需要調(diào)整。管柱底板上鉆有10mm的圓孔，孔隙率為25%，其上覆蓋尼龍網(wǎng)以防石英砂流失，管柱中裝填粒徑為0.5～1.2mm的石英砂。
　　試驗(yàn)分兩階段：第一階段采用以長(zhǎng)江水為水源的武漢市自來(lái)水，向配水箱內(nèi)的自來(lái)水中投加 苯酚，配制成給定濃度的含苯酚原水，用水泵提升至濾柱中進(jìn)行除酚試驗(yàn)；第二階段試 驗(yàn)用水則為上述原水、生活污水、淘米水三者按2.5∶1.5∶0.5的比例配制(簡(jiǎn)稱混合試驗(yàn)用水) 。第一、二階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是濾柱分別連續(xù)運(yùn)行5d和25d后取進(jìn)、出水樣測(cè)得的，分別進(jìn)行了酚、溶解氧、pH值及水溫四個(gè)項(xiàng)目的測(cè)定，酚的濃度采用4-氨基安替比林直接光度法測(cè)定，并對(duì)濾柱中石英砂表層的菌膠團(tuán)、絲狀菌、桿菌等進(jìn)行了顯微鏡檢測(cè)。
　　1.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
　　第一、二階段試驗(yàn)時(shí)的水溫分別為23～24 ℃、12～15 ℃；pH值為6.5～6.8；第一階段試驗(yàn)時(shí)的進(jìn) 、出水溶解氧分別為7.36～7.76mg/L、7.1～7.66mg/L，第二階段試驗(yàn)時(shí)進(jìn)、出水溶解氧分別為8.23～9.87mg/L、0.90～6.93mg/L；第一階段試驗(yàn)前期的進(jìn)、出水溶解氧幾乎一致，僅后期的出水溶解氧較之進(jìn)水略低，而第二階段試驗(yàn)開(kāi)始，用顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)濾柱中石英砂表面出現(xiàn)菌膠團(tuán)之后，出水溶解氧比進(jìn)水明顯降低，最多低達(dá)90%，進(jìn)水苯酚濃度對(duì)苯酚去除率的影響見(jiàn)圖1。

　　試驗(yàn)結(jié)果分析：
　?、?進(jìn)水苯酚濃度對(duì)苯酚去除率的影響?
　　由圖1可見(jiàn)，在所試驗(yàn)的苯酚濃度下，石英砂濾層均有一定的除酚效果，并隨進(jìn)水苯酚濃度 降低，苯酚去除率呈顯著升高。在忽略試驗(yàn)連續(xù)時(shí)間影響的條件下，當(dāng)進(jìn)水苯酚 濃度均從?0.03 mg/L?降至?0.008 mg/L?時(shí)，經(jīng)4 m厚石英砂層滲濾后，第一、第二 試驗(yàn)階段的苯酚 去除率分別從26.67%增大到35%和從36.67%增大到45%。
　　② 石英砂層厚度對(duì)苯酚去除率的影響?
　　在進(jìn)水苯酚濃度、試驗(yàn)連續(xù)時(shí)間相同的條件下，隨著石英砂層增厚，苯酚去除率也隨之提高 (見(jiàn)圖2)。如在連續(xù)試驗(yàn)的第6 d，由單一試驗(yàn)用水配制的進(jìn)水苯酚濃度為0.03 mg/L條件下，分別經(jīng)1m、2m、4m厚石英砂層滲濾后，苯酚去除率相應(yīng)為20%、23.33%、26.67%。?

　　

　　不同厚度石英砂層的除酚試驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)進(jìn)水苯酚濃度較低(＜0.03mg/L)時(shí)，苯酚的去除基本上都是在濾柱進(jìn)水的前部分1m石英砂層中完成的，后續(xù)的生產(chǎn)試驗(yàn)也表明，石英砂層厚度進(jìn)一步增大，苯酚的去除率增加甚微，但有相同的趨勢(shì)。?
　?、墼囼?yàn)連續(xù)時(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響?
　　在進(jìn)水苯酚濃度、石英砂層厚度一定的條件下，苯酚去除率隨試驗(yàn)連續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)而有所增大 ，如當(dāng)進(jìn)水苯酚濃度為0.008 mg/L，試驗(yàn)連續(xù)時(shí)間自第二階段試驗(yàn)的第28d到第42d時(shí)，經(jīng)1m、2m、4m石英砂層滲濾后苯酚去除率相應(yīng)從35.1%、37%和40.8%增大到38.7%、41.25%和45%(見(jiàn)圖3)。

　　由以上分析可知，進(jìn)水苯酚濃度對(duì)苯酚去除率影響顯著，而石英砂層厚度、試驗(yàn)連續(xù)時(shí)間對(duì) 苯酚去除率亦有影響，為次要影響因素。濾池及河床滲井的濾層均多為人工濾層，其滲透系 數(shù)較大，相關(guān)試驗(yàn)表明滲透系數(shù)減小，除酚效果有所提高，但單位產(chǎn)水量較低，因而本試驗(yàn) 著重研究常規(guī)濾層滲透系數(shù)的情況。至于不同試驗(yàn)水源，全部試驗(yàn)資料都證明它對(duì)苯酚去除 率基本沒(méi)有影響。

　　2 石英砂濾床除酚的數(shù)學(xué)模型

　　為建立一個(gè)與石英砂層實(shí)際除酚效果相吻合的數(shù)學(xué)模型，必須弄清試驗(yàn)過(guò)程中酚的揮發(fā)究竟 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有多大影響。研究表明，進(jìn)水含酚量＜300mg/L時(shí)，酚揮發(fā)量較少或極微。本試驗(yàn)進(jìn)水苯酚濃度均≯0.2 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述值，且第一階段試驗(yàn)時(shí)的水溫為23～24℃，第二階段試驗(yàn)時(shí)還下降到12～15 ℃，故可忽略酚的揮發(fā)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響?；谇笆鰧?duì)影響苯酚去除率因素的分析，從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)石英砂層的物理化學(xué)、生物學(xué)等除酚規(guī)律進(jìn)行研究，固定某些參數(shù)，考察其他參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)參數(shù)之間均存在指數(shù)關(guān)系，選擇下式描述石英砂層的除酚公式：?
　　C ＝ KC₀^αZ^βT^γ? (1)?
　　式中　C ——出水苯酚濃度，mg/L?
　　　　　C₀——進(jìn)水苯酚濃度，mg/L?
　　　　　Z ——石英砂層厚度，m?
　　　　　T ——試驗(yàn)連續(xù)時(shí)間，d?
　　　　　K、α、β、γ?——常數(shù)及三參數(shù)的指數(shù)?
　　對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算后，得到下列公式：?
　　C＝1.49C^₀1.11Z^-0.075T^-0.094 (2)?

　　3 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證與應(yīng)用

　?。蹖?shí)例1］湖北英山縣某公司在河床上建有一座井底進(jìn)水非完整河床滲井，井深為5.6m，在該井連續(xù)運(yùn)行256d測(cè)得井周河水含酚濃度為0.002mg/L時(shí)，井水含酚濃度為0.0008mg/L 。在該井連續(xù)運(yùn)行466d測(cè)得井周河水含酚濃度為0.006mg/L時(shí)，井水含酚濃度為0.002mg/L。?
　　當(dāng)井周河水含酚濃度已知時(shí)，根據(jù)式(2)來(lái)預(yù)測(cè)井水含酚濃度，需知道垂直于河水滲濾方向 的含水層厚度。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，通過(guò)對(duì)各種不同埋深(h)條件下的井底進(jìn)水非完整河床滲井集 水流網(wǎng)分析，得到以下關(guān)系式：?
　　Z_含＝1.72h (3)?
　　按式(3)計(jì)算，h＝5.6m時(shí)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。
　　［實(shí)例2］重慶市某造船廠在長(zhǎng)江河床上建造的井底進(jìn)水非完整河床滲井的埋深為5.0m ，在 該井投產(chǎn)運(yùn)行15 d測(cè)得井周江水酚的濃度為0.018mg/L時(shí)，井水含酚濃度為0.012 mg/L，將 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。
　　經(jīng)對(duì)工程實(shí)例中井水含酚濃度實(shí)測(cè)值與按式(2)計(jì)算值進(jìn)行比較，二者基本吻合，公式的精 度大致在89%～95%左右，表明式(2)較真實(shí)地反映了含水層的除酚情況。?

　　4 石英砂層與含水層的除酚機(jī)理

　　4.1 對(duì)苯酚的吸附作用
　　粒徑為0.5～1.2mm顆粒的石英砂層與由不同粒徑顆粒構(gòu)成的各種含水層，不僅都具有巨大的表面積，而且顆粒的表面一般帶有負(fù)電荷。苯酚分子的羥基(-OH)中O的電負(fù)性為3.5，而H的電負(fù)性為2.1，因而羥基中O與H形成的共價(jià)鍵的共用電子便明顯偏向O，致使O帶部分負(fù)電 荷，H則帶部分正電荷，在顆粒表面的靜電引力作用下，苯酚分子便被顆粒表面所吸附。在第一、第二階段試驗(yàn)剛開(kāi)始的頭幾天與河床滲井的投產(chǎn)初期，人工配制的含苯酚污水與受酚污染河水分別經(jīng)石英砂濾層與含水層滲濾后含酚濃度的降低，主要表現(xiàn)為顆粒表面的吸附作用。
　　4.2 顆粒表面吸附與微生物分解的聯(lián)合作用
　　據(jù)研究，大多數(shù)細(xì)菌等電點(diǎn)的pH值為3～4，而水中細(xì)菌細(xì)胞表面電荷的性質(zhì)受pH值控制，即水的pH值低于細(xì)菌等電點(diǎn)時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞表面帶正電荷，反之則帶負(fù)電荷。試驗(yàn)時(shí)人工配制的原水接近中性水，故細(xì)菌細(xì)胞表面帶負(fù)電荷，細(xì)菌通過(guò)“類氫鍵”將酚吸附于自身表面，進(jìn)而被吸入體內(nèi)進(jìn)行分解。因此，第一、二階段試驗(yàn)的石英砂層除酚效率隨試驗(yàn)時(shí) 間延長(zhǎng)而提高，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)石英砂表層有膠菌團(tuán)、絲狀菌和桿菌生長(zhǎng)。在實(shí)際工程中，含水層隨生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，除酚效率提高，這主要是顆粒表面吸附與微生物吸附分解作用逐 漸增強(qiáng)所致。

　　5 結(jié)論

　　① 經(jīng)石英砂濾床滲濾去除湖北英山、重慶等地受污染河水中的微量酚，獲得了良好效果。當(dāng)含酚濃度為0.006 mg/L的河水經(jīng)河床含水層滲濾，井水含酚濃度降到了0.002mg/L以下，酚去除率近70%。
　?、谕ㄟ^(guò)濾柱試驗(yàn)建立起來(lái)的石英砂濾床除酚數(shù)學(xué)模型，可用于預(yù)測(cè)受酚污染河水經(jīng)含水層滲濾進(jìn)入井后的井水含酚濃度，濾層厚度越大，除酚效果越好。?
　?、酆畬尤コ芪廴竞铀械奈⒘糠邮穷w粒表面吸附與微生物吸附、分解綜合作用的結(jié)果。?
　?、墚?dāng)受微量酚污染河水經(jīng)含水層滲濾進(jìn)入井后的井水含酚濃度仍超過(guò)國(guó)家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，只需酌情投加0.0001～0.0003mg/LKMnO4即可。

　　參考文獻(xiàn)：
　?。?］王允麒，謝水波.流網(wǎng)法在輻射管出水量計(jì)量中的應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，1995，11(4)：4-7.

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作者簡(jiǎn)介：謝水波(1964-)，男，湖南岳陽(yáng)人，中南工學(xué)院副教授，碩士，研究方向：水污染控制優(yōu)化和水處理工程。
電話：(0734)8282382 8282312 8282394?
傳真：(0734)8221942?
E-mail:Waisb@email.Zhnut.edu.cn?
收稿日期：2000-02-24