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

　　摘 要：結合石英砂濾床模型試驗，研究了石英砂濾床的除酚效果與機理，提出了相關數學模型，并通過工程實例進行了驗證。研究表明，該數學模型較客觀地 反映了石英砂濾床的除酚規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給源 的水源井設計中井水含酚濃度的預測。?
　　關鍵詞：石英砂濾床；除酚；含水層?
　　中圖分類號：TU991.24
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　基金項目：湖北省縱向科研資助項目

　　受污染的飲用水水源中，含酚濃度在大多數情況下＜0.01 mg/L，為微量。對飲用水中微量 酚的去除一般有臭氧氧化法、活性炭吸附法等，但由于費用較高，目前在我國尚難以普遍推 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］取水方式來去除水源中的微量酚，并對石英砂濾床與含水層除酚進行了一系列的試驗研究。?

　　1 試驗方法

　　1.1 試驗裝置與方法
　　試驗裝置為一根140mm的有機玻璃管柱，其高度可按需要調整。管柱底板上鉆有10mm的圓孔，孔隙率為25%，其上覆蓋尼龍網以防石英砂流失，管柱中裝填粒徑為0.5～1.2mm的石英砂。
　　試驗分兩階段：第一階段采用以長江水為水源的武漢市自來水，向配水箱內的自來水中投加 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行除酚試驗；第二階段試 驗用水則為上述原水、生活污水、淘米水三者按2.5∶1.5∶0.5的比例配制(簡稱混合試驗用水) 。第一、二階段的試驗數據是濾柱分別連續運行5d和25d后取進、出水樣測得的，分別進行了酚、溶解氧、pH值及水溫四個項目的測定，酚的濃度采用4-氨基安替比林直接光度法測定，并對濾柱中石英砂表層的菌膠團、絲狀菌、桿菌等進行了顯微鏡檢測。
　　1.2 試驗結果與討論
　　第一、二階段試驗時的水溫分別為23～24 ℃、12～15 ℃；pH值為6.5～6.8；第一階段試驗時的進 、出水溶解氧分別為7.36～7.76mg/L、7.1～7.66mg/L，第二階段試驗時進、出水溶解氧分別為8.23～9.87mg/L、0.90～6.93mg/L；第一階段試驗前期的進、出水溶解氧幾乎一致，僅后期的出水溶解氧較之進水略低，而第二階段試驗開始，用顯微鏡觀察發現濾柱中石英砂表面出現菌膠團之后，出水溶解氧比進水明顯降低，最多低達90%，進水苯酚濃度對苯酚去除率的影響見圖1。

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

　　

　　不同厚度石英砂層的除酚試驗結果還表明，當進水苯酚濃度較低(＜0.03mg/L)時，苯酚的去除基本上都是在濾柱進水的前部分1m石英砂層中完成的，后續的生產試驗也表明，石英砂層厚度進一步增大，苯酚的去除率增加甚微，但有相同的趨勢。?
　　③試驗連續時間對苯酚去除率的影響?
　　在進水苯酚濃度、石英砂層厚度一定的條件下，苯酚去除率隨試驗連續時間延長而有所增大 ，如當進水苯酚濃度為0.008 mg/L，試驗連續時間自第二階段試驗的第28d到第42d時，經1m、2m、4m石英砂層滲濾后苯酚去除率相應從35.1%、37%和40.8%增大到38.7%、41.25%和45%(見圖3)。

　　由以上分析可知，進水苯酚濃度對苯酚去除率影響顯著，而石英砂層厚度、試驗連續時間對 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 數較大，相關試驗表明滲透系數減小，除酚效果有所提高，但單位產水量較低，因而本試驗 著重研究常規濾層滲透系數的情況。至于不同試驗水源，全部試驗資料都證明它對苯酚去除 率基本沒有影響。

　　2 石英砂濾床除酚的數學模型

　　為建立一個與石英砂層實際除酚效果相吻合的數學模型，必須弄清試驗過程中酚的揮發究竟 對試驗結果有多大影響。研究表明，進水含酚量＜300mg/L時，酚揮發量較少或極微。本試驗進水苯酚濃度均≯0.2 mg/L，遠遠低于上述值，且第一階段試驗時的水溫為23～24℃，第二階段試驗時還下降到12～15 ℃，故可忽略酚的揮發對試驗結果的影響。基于前述對影響苯酚去除率因素的分析，從動力學角度對石英砂層的物理化學、生物學等除酚規律進行研究，固定某些參數，考察其他參數之間的關系，發現參數之間均存在指數關系，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——進水苯酚濃度，mg/L?
　　　　　Z ——石英砂層厚度，m?
　　　　　T ——試驗連續時間，d?
　　　　　K、α、β、γ?——常數及三參數的指數?
　　對試驗數據進行數理統計計算后，得到下列公式：?
　　C＝1.49C^₀1.11Z^-0.075T^-0.094 (2)?

　　3 數學模型的驗證與應用

　　［實例1］湖北英山縣某公司在河床上建有一座井底進水非完整河床滲井，井深為5.6m，在該井連續運行256d測得井周河水含酚濃度為0.002mg/L時，井水含酚濃度為0.0008mg/L 。在該井連續運行466d測得井周河水含酚濃度為0.006mg/L時，井水含酚濃度為0.002mg/L。?
　　當井周河水含酚濃度已知時，根據式(2)來預測井水含酚濃度，需知道垂直于河水滲濾方向 的含水層厚度。為簡便起見，通過對各種不同埋深(h)條件下的井底進水非完整河床滲井集 水流網分析，得到以下關系式：?
　　Z_含＝1.72h (3)?
　　按式(3)計算，h＝5.6m時的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。
　　［實例2］重慶市某造船廠在長江河床上建造的井底進水非完整河床滲井的埋深為5.0m ，在 該井投產運行15 d測得井周江水酚的濃度為0.018mg/L時，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。
　　經對工程實例中井水含酚濃度實測值與按式(2)計算值進行比較，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理

　　4.1 對苯酚的吸附作用
　　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電荷。苯酚分子的羥基(-OH)中O的電負性為3.5，而H的電負性為2.1，因而羥基中O與H形成的共價鍵的共用電子便明顯偏向O，致使O帶部分負電 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、第二階段試驗剛開始的頭幾天與河床滲井的投產初期，人工配制的含苯酚污水與受酚污染河水分別經石英砂濾層與含水層滲濾后含酚濃度的降低，主要表現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合作用
　　據研究，大多數細菌等電點的pH值為3～4，而水中細菌細胞表面電荷的性質受pH值控制，即水的pH值低于細菌等電點時，細菌細胞表面帶正電荷，反之則帶負電荷。試驗時人工配制的原水接近中性水，故細菌細胞表面帶負電荷，細菌通過“類氫鍵”將酚吸附于自身表面，進而被吸入體內進行分解。因此，第一、二階段試驗的石英砂層除酚效率隨試驗時 間延長而提高，顯微鏡觀察發現石英砂表層有膠菌團、絲狀菌和桿菌生長。在實際工程中，含水層隨生產運行時間的延長，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 漸增強所致。

　　5 結論

　　① 經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。當含酚濃度為0.006 mg/L的河水經河床含水層滲濾，井水含酚濃度降到了0.002mg/L以下，酚去除率近70%。
　　②通過濾柱試驗建立起來的石英砂濾床除酚數學模型，可用于預測受酚污染河水經含水層滲濾進入井后的井水含酚濃度，濾層厚度越大，除酚效果越好。?
　　③含水層去除受污染河水中的微量酚是顆粒表面吸附與微生物吸附、分解綜合作用的結果。?
　　④當受微量酚污染河水經含水層滲濾進入井后的井水含酚濃度仍超過國家生活飲用水水質標準時，只需酌情投加0.0001～0.0003mg/LKMnO4即可。

　　參考文獻：
　　［1］王允麒，謝水波.流網法在輻射管出水量計量中的應用［J］.中國給水排水，1995，11(4)：4-7.

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作者簡介：謝水波(1964-)，男，湖南岳陽人，中南工學院副教授，碩士，研究方向：水污染控制優化和水處理工程。
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收稿日期：2000-02-24