6種人工濕地填料對氮·磷的吸附效果研究

李瓊輝 于偉鵬 李小榮等

摘要[目的]探討6種人工濕地填料對水體中氨氮、總磷污染物的處理效果。[方法]通過靜態搖床試驗，研究沸石、火山石、蛭石、柱狀活性炭、生物陶粒、無煙煤填料吸附氨氮和總磷的能力，建立各填料等溫吸附模型。[結果]沸石對氨氮的吸附效果最好，蛭石、火山石次之，而柱狀活性炭、生物陶粒、無煙煤對氨氮的吸附效果較差；柱狀活性炭、火山石對總磷的吸附效果較好，其他填料對總磷的吸附效果較差；6種填料的等溫吸附過程的擬合結果符合Freundlich吸附模型。[結論]從吸附氨氮、總磷性能的角度考慮，沸石、火山石是人工濕地填料較好的選擇。

關鍵詞人工濕地；填料；氮；磷

中圖分類號S181文獻標識碼A文章編號0517-6611（2016）04-083-04

Study on the Adsorption Effect of Six Artificial Wetland Substrates on Nitrogen and Phosphorus

LI Qinghui，YU Weipeng*，LI Xiaorong et al （Shenzhen Techand Ecoenvironmental Co.Ltd.，Shenzhen，Guangdong 518040）

Abstract[Objective] The aim was to discuss the processing effect of six artificial wetland substrates on ammonia nitrogen，total phosphorus in water.[Method] The adsorption of ammonia nitrogen and phosphorus of six constructed wetland substrates，including zeolite，volcanic rock，vermiculite，columnar activated carbon，bioceramic and anthracite，were studied by static shaking experiments and isothermal adsorption model was established.[Result] According to experiment results，for ammonia nitrogen adsorption，zeolite performed the best，followed by vermiculite and volcanic rock； for phosphorus adsorption，columnar activated carbon and volcanic rock were both in the top position.The adsorption isotherm of the results was in accordance with the Freundlich isotherm adsorption model.[Conclusion] Considering the adsorption of ammonia nitrogen and total phosphorus，zeolite，volcanic rock are better choice for artificial wetland substrates.

Key wordsConstructed wetland； Substrates； Nitrogen； Phosphorus

隨著城市經濟、工業的快速發展，河流、湖泊的富營養化污染日益加劇，嚴重破壞了水體生態環境，其中，對造成水體富營養化的主要物質氮、磷的控制十分迫切。人工濕地污水處理系統作為一種生態式的污水處理技術已得到廣泛應用，其主要通過植物、微生物、填料的作用進一步削減城市排水中的污染物[1-2]。其中，填料作為人工濕地的重要組成部分，對于人工濕地的污水處理效果有著重要的促進作用[3-4]。目前，人工濕地主要應用沙粒、礫石、碎石作為填料，但是研究發現他們對氮、磷的處理能力有限[5]。鑒于此，筆者選擇常見的4種天然礦物材料（沸石[6-7]、蛭石[8-9]、火山石[10]、無煙煤）和2種人工合成材料（活性炭粒、生物陶粒）作為人工濕地基質，研究了這6種材料對氨氮、總磷吸附處理效果及吸附等溫過程，旨在為人工濕地填料的選擇應用及進一步提高人工濕地系統的污水處理能力提供基礎數據和理論指導。

1材料與方法

1.1材料供試材料為沸石、火山石、蛭石、柱狀活性炭、生物陶粒、無煙煤6種人工濕地填料。其中，沸石、火山石、柱狀活性炭、生物陶粒、無煙煤購自河南鞏義市某凈水材料廠，蛭石購自河北石家莊某園藝廠。供試儀器為uv6100s分光光度儀，WMXⅢB微波消解裝置。

1.2方法選取6種常用的人工濕地填料對氨氮、總磷處理進行靜態試驗，配制不同濃度的KH2PO4和NH4Cl溶液（按N、P計20、40、60、80、100 mg/L），取50 mL加入各錐形瓶中，并分別加入一定量的沸石、火山石、蛭石、柱狀活性炭粒、生物陶粒、無煙煤，置于恒溫水浴振蕩鍋中，設置溫度為30 ℃，以80 r/min勻速振蕩，振蕩反應時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0 d，取上清液過濾，測定溶液中的氨氮、總磷含量，并計算其吸附容量（q）。

q=[（C0-Cr）·V]/m（1）

式中，q為填料在t時刻對氨氮、總磷的吸附容量，mg/g；C0為氮、磷溶液初始濃度，mg/L； Ct為t時刻溶液中氮、磷濃度，mg/L；m為填料添加質量，g；V為溶液體積，L。主要測定方法：NH4N用納氏試劑分光光度法測定；TP用過硫酸鉀硝解分光光度法測定。

1.3Frendlich吸附等溫模型的建立吸附等溫模型是用來描述在一定溫度條件下，當吸附達到平衡時，吸附劑的吸附容量與平衡溶液濃度之間的關系。在沸石、火山石、生物陶粒、蛭石、柱狀活性炭、無煙煤填料吸附氨氮、總磷達到平衡時，對各平衡濃度與吸附容量的關系進行吸附等溫方程擬合[11]。各填料吸附氨氮、總磷的過程主要滿足Freundlich模型，其擬合方程的各參數見表1。

Frendlich吸附等溫式主要描述吸附劑表面吸附位不均一或吸附位吸附粒子相互影響的吸附過程，其表達式見式（2）：

qe=Ke C1/ne （2）

Freundlich吸附等溫式線性形式見式（3）：

qe=lnKF+1/nlnCe （3）

式中，Ce為溶液平衡濃度，mg/L；qe為吸附容量，mg/g；n為吸附常數；KF為吸附平衡常數。

Freundlich吸附等溫式中，吸附系數KF與吸附的異質性有關，吸附指數1/n與吸附過程的自發性和吸附位的能量分布有關[12]。

2結果與分析

2.16種人工濕地填料對氨氮的吸附作用從圖1可以看出，在氨氮濃度為20～100 mg/L，反應時間為0.5～2.0 d時，隨著反應時間的延長，6種填料對氨氮的吸附容量均呈增長趨勢，并在2.0 d時均達到吸附平衡狀態。由于吸附時間越長，填料對氨氮的吸附作用越充分，因此吸附劑對吸附質的吸附量隨時間的延長而增加，并逐漸趨于平衡。這是由于氨氮濃度越大，填料周圍氨氮濃度梯度越大，單位吸附劑可吸附質的量越多，因而隨氨氮初始濃度的增大，填料對氨氮的吸附容量越大。在氨氮初始濃度為100 mg/L時，分別測得各填料對氨氮的最大吸附容量：沸石為3.76 mg/g，火山石為0.97 mg/g，生物陶粒為0.28 mg/g，蛭石為2.27 mg/g，柱狀活性炭為0.65 mg/g，無煙煤為0.73 mg/g。由此可知，各填料對氨氮的吸附容量表現為沸石>蛭石>火山石>無煙煤>柱狀活性炭>生物陶粒，這說明沸石、蛭石、火山石對氨氮吸附作用更加顯著，吸附效果更好，這與3種材料的微孔結構更加發達、離子交換能力強有關[13-14]。

2.26種人工濕地填料對總磷的吸附作用從圖2可以看出，在總磷濃度為20～100 mg/L、反應時間為0.5～2.0 d時，隨著反應時間的延長，6種填料對總磷的吸附容量呈增長趨勢，并在2.0 d時均達到吸附平衡狀態。在反應時間一定時，隨著總磷初始濃度的增大，各填料對總磷的吸附容量呈增加趨勢。在總磷初始濃度為100 mg/L時，分別測得各填料對磷的最大吸附容量：沸石為0.51 mg/g，火山石為0.72 mg/g，生物陶粒為0.42 mg/g，蛭石為0.39 mg/g，活性炭為1.74 mg/g，無煙煤為0.41 mg/g。各填料對總磷的吸附容量表現為柱狀活性炭>火山石>沸石>生物陶粒>無煙煤>蛭石，這說明柱狀活性炭、火山石對總磷吸附效果更加顯著、吸附效果更好。這是由于柱狀活性炭、火山石的孔隙發達，常含有一些可與磷酸鹽發生固化作用的重金屬離子。

2.3Frendlich吸附等溫模型由表1可知，各填料對氨氮、總磷的吸附過程與Freundlich模型吻合度較好，R2>0.900。參數1/n值在0.100～0.500時吸附易于進行，大于2.000時吸附難于進行[15]。沸石、火山石、生物陶粒、蛭石、柱狀活性表16種填料吸附氨氮、總磷過程的Freundlich等溫模型的擬合

參數炭、無煙煤對氨氮、總磷吸附的擬合參數1/n均小于2.000，因此，在對污染物吸附去除效果上，各填料均適合作為人工濕地填料。另外，Freundlich模型反映了平衡濃度與吸附容量的關系，一定程度上可以根據污染物濃度來指導吸附劑的投加量。注：a為沸石，b為火山石，c為生物陶粒，b為蛭石，e為柱狀活性炭，f為無煙煤。

Note：a.Zeolite，b.Volcanic rock，c.Bioceramic，d.Vermiculite，e.Activated carbon，f.Anthracite.

圖2不同總磷濃度和不同反應時間下各填料對總磷的吸附容量比較

Fig.2Comparison of total phosphorus adsorption capacity under different phosphorus concentration and different reaction time44卷4期李瓊輝等6種人工濕地填料對氮·磷的吸附效果研究3結論與討論

（1）該研究結果表明，6種填料對氨氮的吸附能力不同，在相同濃度下，沸石對氨氮吸附容量最大，蛭石和火山石吸附效果相對較好，其他填料吸附氨氮效果相對較差。6種填料對總磷的吸附能力不同，柱狀活性炭的吸附容量最大，火山石次之，其他填料的效果相對較差。6種填料的對氨氮、總磷的吸附過程均符合Freundlich等溫吸附規律，均可作為人工濕地填料。為控制水體富營養化，沸石、火山石、蛭石、柱狀活性炭是人工濕地填料去除氮、磷較好的選擇；而柱狀活性炭成本高，不利于在人工濕地中大規模應用。

（2）趙發敏等[16]研究表明，沸石對氨氮的去除效果較好，去除率可達87.65%；張燕等[17]研究表明，火山石對氨氮有較好的吸附效果，最大吸附容量為0.98 mg/g；苗偉紅[18]研究了沸石、蛭石、石灰石對氨氮的吸附效果，結果表明：沸石對氨氮的吸附容量明顯大于其他2種填料，其次為蛭石，蛭石對氨氮也具有較好的吸附作用，這與筆者的研究結果一致；殷玉蓉等[19]研究表明，在活性炭強化下的混凝作用對磷的去除率可達90.3%；曹飛華等[20]以沸石、碎石、火山石作為填料模擬人工濕地污水處理系統的研究表明，火山石填料對總磷的去除效果最好，其次為碎石，沸石最差，這與筆者得出的活性炭、火山石對總磷的吸附作用較好的結果一致。

（3）該試驗從材料自身吸附的角度分析對比了6種人工濕地填料的氨氮、總磷富營養化物質的去除，可在一定程度上為工程應用提供理論指導。但是，在人工濕地污水處理系統中，微生物、植物、填料的作用是相互聯系、密不可分的，為了更加系統地研究人工濕地填料的作用，今后將進一步研究填料對微生物、植物生長的影響以及填料層級布置對人工濕地的影響以及填料對人工濕地堵塞方面的影響。

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