粘土礦物材料凈化水體中氮磷的研究

郭鑫瑤

(湖南師范大學附屬中學，　湖南 長沙　430100)

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粘土礦物材料凈化水體中氮磷的研究

郭鑫瑤

(湖南師范大學附屬中學，湖南 長沙430100)

氮磷含量超標容易導致水體富營養化。采用粘土礦物可以凈化水體中的氮磷。本研究以海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物材料為研究對象，開展其吸附凈化模擬富營養化水溶液中氮磷的研究。研究結果表明，海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+，以及海泡石和火山石對水溶液中總磷的去除效果明顯。用2%的海泡石處理5 min后，水溶液中NH4+的去除率達到90%以上，水溶液中總磷的去除率達到50%左右，可有效緩解或凈化水體中氮磷，防治水體富營養化。

粘土礦物；氮磷富營養化；凈化水體

0　引　言

隨著我國工農業和城鎮化的快速發展，大量生活污廢水和工業廢水導致水體中氮磷含量迅速增高，水體富營養化日趨嚴重。對我國25個大中型湖泊調查結果表明，大約92%的湖泊趨于富營養化[1]；一些淡水湖如太湖、洪澤湖、巢湖的富營養程度已經比較突出[2]。解決水體富營養化問題迫在眉睫。氮磷是導致水體富營養化的根本原因[3]。因此，水體富營養化的首要問題是去除水體中氮磷營養元素。目前，針對富營養化水體的治理方法主要有生物法、化學法和吸附法[4]。吸附法是選擇具有較強吸附氮磷的材料來處理。粘土礦物材料可以用來吸附水體中的氮磷。李彬等[5]利用稀土鑭改性的沸石可有效去除氨氮和磷；張林棟等[6]利用氯化鎂與氯化鐵等改性海泡石可以在15 min內達到吸附平衡；陳琳荔等[7]采用加熱、羥基鋁柱撐和稀土鑭改性麥飯石能有效去除氮磷；聶鳳等[8]使用酸堿改性火山石處理城鎮污水，經過改性后的火山石對總磷和總氮都有較好的去除效果。上述研究都是關于改性粘土礦物來處理污廢水。如果直接使用天然粘土礦物材料來處理氮磷含量超標水體，尤其是城市內河水體，吸附氮磷的粘土礦物污泥可作為有機肥料返回城市綠化地帶，不僅可以解決水體富營養化問題，又可以改善土壤肥力和質地結構，而且不造成任何的二次污染。因此，本研究以海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物為吸附材料，模擬含氮磷水溶液作為富營養化水體溶液，研究4種天然礦物材料對水溶液中氮磷的的去除效果，為直接利用粘土礦物吸附凈化氮磷超標的微富營養化水體提供科學依據。

1　材料和方法

1.1實驗材料

將海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物材料在研缽中磨碎，過200目后備用。

根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)，用NH4Cl和KH2PO4配制氮磷質量濃度分別為20 mg/L和1 mg/L的水溶液作為富營養化水體溶液，模擬水溶液pH值為6.5。

1.2實驗設計

在250 mL錐形瓶中加入50 mL上述模擬富營養化水溶液，分別稱取四種粘土礦物材料1 g，在上述溶液中分別投加粘土礦物材料(粘土礦物材料與水溶液的質量比為2%)。在25℃，轉速200 r/min條件下，在水浴恒溫振蕩器中振蕩，分別在振蕩5，30，60，90，120，180，240，480 min后取樣，過濾，測量濾液中總磷和總氮(NH4+)含量，振蕩處理前后總磷和氨氮(NH4+)含量的差值就是粘土礦物材料吸附的量。每個實驗重復3次。

1.3測試與分析

模擬水溶液pH值采用Mettler Toledo 420 pH計測定，水溶液中總磷含量采用鉬酸銨分光光度法測定，氨氮含量采用水楊酸分光光度法測定。所有實驗數據采用Excel進行處理與分析。

2　結果與分析

2.1粘土礦物對水溶液中氨氮的吸附效果

4種粘土礦物材料對水溶液中NH4+的去除效率如圖1所示。從圖1中可以看出，粘土礦物對水溶液中氮的吸附是一個快速吸附過程，綠沸石和海泡石對水溶液中NH4+的去除效果明顯優于火山石和飯麥石。用2%的海泡石和綠沸石處理5 min后，海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+的去除率達到90%左右，在120 min后對水溶液中NH4+的去除率達到99%左右。而飯麥石和火山石對水溶液中NH4+的去除效果遠遠低于海泡石和綠沸石，在30 min內達到最大吸附效果，對水溶液中NH4+的去除率僅約30%左右。由此可見，海泡石和綠沸石在去除水中NH4+效果明顯，是比較理想的吸附凈化材料。有研究表明，綠沸石和海泡石的比表面積較大，孔徑均勻，具有特殊的分子結構，尤其是綠沸石內部的孔穴和孔道一旦有“空缺”時，就會表現出很強的吸附能力[9]。

圖1　粘土礦物材料對書溶液中NH4+的吸附凈化效果

2.2粘土礦物對水溶液中總磷的吸附效果

4種粘土礦物材料對水溶液中總磷的去除率如圖2所示。從圖2中可以看出，粘土礦物對水溶液中磷的吸附是一個快速吸附過程。海泡石和火山石對水溶液中磷的去除效果較好，而綠沸石和麥飯石對水溶液中磷的去除效果較低，海泡石和火山石對總磷的去除率優于綠沸石和飯麥石。然而，4種粘土礦物材料對水溶液中磷的去除效率均不高。用2%的海泡石和火山石振蕩處理5 min后，4種粘土礦物材料對水溶液中磷的吸附已經達到一個較高值，海泡石和火山石對水溶液中總磷的去除率大約在50%左右，綠沸石和飯麥石對水溶液中總磷的去除率大約在20%～30%之間。在供試的480 min內，4種吸附材料對水溶液中磷的吸附幾乎沒有變化，相反，還存在輕微的解吸，表明4種礦物材料快速吸附上的PO42-在水溶液振蕩過程中一直處于吸附、解吸的動態平衡過程。可能是由于綠沸石等粘土礦物表面帶有負電荷，為保護電中和，缺少的正電荷由附近帶正電的陽離子來補償平衡[9]。

圖2　4種土壤礦物對總磷的去除率

3　結　論

(1) 海泡石、綠沸石、飯麥石、火山石4種粘土礦物材料對水體中氮磷的吸附性能不同。粘土礦物對水溶液中氮磷的吸附均是一個快速吸附過程。

(2) 海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+的去除效率很高，用2%的海泡石和綠沸石處理5 min后，海泡石和綠沸石對水溶液中NH4+的去除率達到90%左右，在120 min后，水溶液中NH4+的去除率可達到99%左右。海泡石和火山石對水溶液中總磷的去除效果明顯，用2%的海泡石和火山石處理5 min后，水溶液中總磷的去除率大約達到50%左右，且去除效果穩定。

(3) 海泡石對氮磷同時超標的水體來說是一個理想的粘土礦物吸附材料，可以用來處理氮磷超標的水體尤其是城市內河水體，防治其富營養化。

[1]鄭亞西,王關民.湖(庫)水體富營養化綜合防治對策[J].重慶環境科學,2001(04):30￣33.[2]趙永宏,鄧祥征,戰金艷,等.我國湖泊富營養化防治與控制策略研究進展[J].環境科學與技術,2010(03):92￣98.[3]肖濤,宋垚彬,姜丹,等.植物功能性狀對城市濕地水體富營養化的響應研究進展[J].濕地科學與管理,2014(02):62￣65.[4]張道方,史利芳,許智華.沸石泥炭合成材料及其脫氮除磷實驗研究[J].能源研究與信息,2011(01):1￣6.[5]李彬,寧平,陳玉保,等.氧化鑭改性沸石除磷脫氮研究[J].武漢理工大學學報,2005(09):56￣59.[6]張林棟,李常飛,王先年.改性海泡石除磷吸附動力學研究[J].化學工程,2010(02):5￣7.[7]陳琳荔,鄒華.改性麥飯石對水中氮磷的去除[J].食品與生物技術學報,2015(03):283￣290.[8]聶鳳,熊正為,黃建洪,等.改性火山石-PAC復合絮凝劑處理城鎮生活污水試驗研究[J].水處理技術,2012(04):87￣90.[9]王黎瑾,林春綿.改性沸石凈化水中氮磷的研究進展[J].安徽農業科學,2007(20):6207￣6208.

2016￣06￣09)