膨胀蛭石对富营养化水体中氮、磷富集效果试验研究

桑连海，黄 薇，陈 进，黄 茁，唐林森

膨胀蛭石对富营养化水体中氮、磷富集效果试验研究

桑连海，黄 薇，陈 进，黄 茁，唐林森

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

利用水上种植技术治理湖泊富营养化已被证明是一种行之有效的方法，而提高作物产量一直是阻碍该技术普及的一个难点。利用膨胀蛭石具有的强吸附性和阳离子交换能力，采用室内试验的方法，研究膨胀蛭石对富营养化水体中氮磷物质的富集效果。结果表明：当富营养化水体中的总磷和总氮浓度分别为0.5 mg／L和5 mg／L时，经过蛭石8 h的富集后，吸附基本达到平衡，水体中总磷和总氮的去除率可达78%和30%，而蛭石压滤液中总磷和总氮的浓度分别约是水体中总磷和总氮浓度的4和3倍。

湖泊富营养化；富集；膨胀蛭石

1 概 述

20世纪90年代以来，我国学者针对湖泊水体富营养化日益严重的问题，自主开发了水上种植技术，以人工生物浮岛为载体将陆生农作物移栽到水中，通过农作物在生长过程中对水体中氮、磷等植物必需元素的吸收利用，及其植物根系对水体中悬浮物的吸附作用，富集水体中的有害物质，使水体中的污染物大幅度减少，水质得到改善，从而为高等水生生物的生存、繁衍创造生态环境条件，为最终修复水生态系统提供可能［1－4］。经过近10年的科学研究，水上种植技术已被证明能够改善富营养化湖泊的水环境，但水上农作物产量不高一直是该技术难以推广的制约因素。虽然富营养化水体中含有丰富的氮磷物质，但相对于施过肥的土壤而言，水体中的氮磷物质是广泛地分布于整个水域，而不是集中在农作物的周围，不能及时而保量地向农作物提供养分。因此，开发价廉、高效而无二次污染的吸附基质成为目前水上种植业富营养化水质净化的研究重点。

本文研究了蛭石在实验条件下对富营养化水中氮磷的富集效果，为蛭石作为一种植物生长基质的应用提供了基础数据和理论依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验仪器

美国哈希公司生产的DRB200数字式消解器和

2.2 蛭 石

试验用蛭石产自河北省灵寿县。蛭石是一种结构单元层为2∶1型的三八面体或二八面体层状铝硅酸盐［5］，层间具有水分子及可交换性阳离子。蛭石的这种结构特点使其具有强吸附和离子交换能力。

2.3 富营养化水体

试验用富营养化水体由硝酸氮、磷酸盐、氯化氨（分析纯）和自来水按一定比例人工配置而成。

2.4 分析项目

总氮：消解法和可见光谱分光光度法。总磷：消解法和可见光谱分光光度法。

3 结果与分析

3.1 蛭石对磷的富集效果分析

3.1.1 吸附平衡时间的确定

将配置好的浓度分别为0.18，0.27，0.50 mg／L的总磷溶液20 L置于3个30 L的塑料桶中，将包有150 g蛭石的纱布袋投入水中，在自然温度、静止条件下，每隔一段时间测定溶液中的总磷浓度，直到溶液中的总磷浓度变化缓慢或不再变化为止，计算所需要的时间。蛭石吸附容量按（1）式计算，

式中：q为吸附剂的吸附容量（mg／g）；C0，Ce为吸附前后水中总磷浓度（mg／L）；V为吸附试验所取溶液体积（L）；W为吸附剂用量（g）。

试验得出蛭石对3种不同浓度的总磷溶液的吸附容量与时间的关系（见图1）。3种浓度的吸附平衡曲线其形状、走势几乎相同，吸附平衡时间都约为8 h。这表明蛭石用于富集溶液中的磷酸根离子时，在较短时间内离子交换作用基本上就达到平衡。

图1 蛭石对总磷的吸附平衡曲线Fig.1 The balance curves of TP absorbed by vermiculite

3.1.2 总磷质量浓度的变化分析

试验条件同3.1.1。配置3种总磷溶液并添加蛭石，每隔一段时间取样，测定溶液中的总磷浓度。水体中总磷浓度随吸附时间的变化关系见图2。

图2 吸附接触时间与水体中总磷浓度变化的关系图Fig.2 The relations between TP concentration in eutrophic water and absorption time

由图2可以看出，随着时间的变化，蛭石对不同浓度的总磷溶液均有一定的富集效果，而且初始浓度越高，富集效果越明显。初始浓度为0.50 mg／L，吸附时间为8 h时，富集率可高达76%。

蛭石对水中总磷的富集主要是通过离子交换作用来完成的。蛭石是2∶1型的层状硅酸盐矿物，由一个八面体片夹于两个四面体片之间构成，其表面官能团除表面羟基外，一般还有离子交换位。磷酸盐属专性吸附离子［6］，根据配位体交换理论，磷酸根可以和蛭石粘土矿物边缘金属原子的配位基（OH基或OH2基）进行交换而被吸附。即磷酸根离子和蛭石矿物表面发生表面羟基与阴离子的配位反应：

＞S代表矿物表面阳离子。该反应的结果使得水体中的磷酸根离子大幅度减少。

试验对蛭石袋压滤液中总磷浓度与水体中总磷浓度进行了比较，结果表明，初始浓度不同的总磷溶液，在经过蛭石8h的富集后，蛭石袋压滤液中总磷浓度均是水体中总磷浓度的4倍。由此说明，蛭石对富营养化水体中的总磷具有良好的富集效果，能够为植物生长发育及时提供较为充足的营养物质。另外，蛭石还可向作物提供自身含有的K，Mg，Ca，Fe以及微量的Mn，Cu，Zn等元素。由于蛭石具有缓释功能，富集在蛭石中的营养物质能够缓慢地被释放出，不会因营养物质过量而对植物生长产生抑制作用。蛭石的吸水性、阳离子交换性及化学成分特性，使其起着保肥、保水、储水、透气和矿物肥料等多重作用。

3.2 蛭石对氮的富集效果分析

3.2.1 吸附平衡时间的确定

将配置好的浓度分别为2.9，3.6，5.0 mg／L的总氮溶液（由硝酸盐和氯化氨配置而成）20 L置于3个30 L的塑料桶中，将包有150 g蛭石的纱布袋投入水中，在自然温度、静止条件下，每隔 2，4，8，16，32 h取样，测定溶液中的总氮浓度，直到溶液中的总氮浓度变化缓慢或不再变化为止，计算所需要的时间。

试验得出蛭石对3种不同浓度的总氮溶液的吸附容量与时间的关系（见图3）。3种浓度的吸附平衡曲线的形状、走势几乎相同，吸附平衡时间都约为8 h。

图3 蛭石对总氮的吸附平衡曲线Fig.3 The balance curves of TN absorbed by vermiculite

蛭石的这种快速富集特点，保证了作物从生长初期就能获得充足的养料及矿物质，能够促进植物较快生长，增加产量。随着作物对氮磷及矿物质的不断吸收，富集在蛭石中的这些物质浓度开始下降，蛭石附近水域出现低浓度区，在分子扩散的作用下，聚集在远处水域的营养及矿物质就会从高浓度区向低浓度区传递，使蛭石富集重新达到平衡。由此可见，蛭石始终是处在一种不断吸附、不断释放氮磷的动态过程中，这个过程保证了作物可以源源不断地获取其生长所需的营养及矿物质。

3.2.2 总氮质量浓度的变化分析

试验条件同3.2.1。配置3种总氮溶液并添加蛭石，按一定时间间隔测定水中总氮浓度，结果见表1。由表1可以看出，随着时间的变化，蛭石对不同浓度的总氮溶液均有一定的富集效果，而且初始浓度越高，富集效果越明显。初始浓度为5.0 mg／L，吸附时间为8h时，富集率可达30%。

表1 水体中总氮浓度随时间的变化Table 1 The relations between TP concentration_in ertrophic water and time

由表1的试验结果可以看出，蛭石对溶液中的氮虽然有一定的富集效果，但同蛭石对磷的富集效果相比，相差甚远。分析其原因，蛭石经高温处理后，分子间孔隙加大、比表面积增加，吸附容量增加，但是，热处理后层间水分子及可交换的阳离子丢失，因此，膨胀蛭石的阳离子交换性差。换句话说，蛭石对溶液中的NH4＋没有去除效果，而对总氮的去除主要是吸附了硝基氮。

试验对蛭石袋压滤液中总氮浓度与水体中总氮浓度进行了比较，结果表明，初始浓度不同的总氮溶液，在经过蛭石8 h的富集后，蛭石袋压滤液中总氮浓度与水体中总氮浓度的比值均在3左右。由此说明，蛭石对富营养化水体中的总氮具有良好的富集效果，能够为植物生长发育及时提供较为充足的营养物质。

蛭石对富营养化水体中氮磷物质的富集功能，为提高水培农作物的产量提供了可能。同时，蛭石也是一种优良的土壤改良剂［7］，废弃的蛭石可直接回归自然，符合水上循环农业的理念。

4 结 论

（1）蛭石对富营养化水体中的氮磷均有很好的富集效果，而且氮磷浓度越高，富集效果越明显。当富营养化水体中的总磷和总氮浓度分别为0.5 mg／L和 5 mg／L时，经过蛭石32 h的富集后，总磷和总氮的去除率可达78%和30%。

（2）富营养化水体中的氮磷经蛭石富集后，可在作物生长区域附近形成一个氮磷高浓度区，与水体中总磷和总氮的浓度倍比一般可达到4和3。

（3）蛭石能够快速富集富营养化水体中的氮磷物质，一般情况下，经过8 h的富集，即可达到平衡。

（4）本试验验证了膨胀蛭石能够快速富集富营养化水体中的氮磷物质，但作为水培植物的生长基质是否具有同样的效果，还有待进一步的研究。

［1］ 戴全裕，张 珩，戴玉兰，等.丝瓜对食品废水的净化功能及经济效益［J］.城市环境与城市生态.1994，7（4）：8－12.（DAI Quan-yu，ZHANG Heng，DAI Yulan，et al.Purification function of luffa cylindrical to food waste water and its economic effect［J］.Urban Environment＆Urban Ecology，1994，7（4）：8－12.（in Chinese））

［2］ 戴全裕，蒋兴昌.水蕹菜对啤酒及饮食废水净化与资源化研究［J］.环境科学学报.1996，16（2）：334－337.（DAI Quan-yu， JIANG Xing-chang. Purification wastewater from brewery and diet processing by ipomoea aquatic［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，1996，16（2）：334－337.（in Chinese））

［3］ 宋祥甫，邹国燕，吴伟明，等.浮床水稻对富营养化水体中氮磷的去除效果及规律研究［J］.环境科学学报，1998，18（5）：489－494.（SONG Xiang-fu，ZOU Guoyan，WU Wei-ming，et al.Study on the removal effect and regulation of rice plants on floating－beds to main nutrients N and P in eutrophicated water bodies［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，1998，18（5）：489－494.（in Chinese））

［4］ 刘淑媛，任久长，由文辉.用人工基质栽培经济植物净化富营养化水体的研究［J］.北京大学学报（自然科学版），1999，35（4）：518－521.（LIUShu-yuan，REN Jiuchang，YOU Wen-hui.A study on purification of the eutrophic water body with economical plants soillessly cultivated on artificial substratum［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，1999，35（4）：518－521.（in Chinese））

［5］ 彭同江，刘福生.含蛭石晶层间层矿物的可交换性阳离子及交换容量研究［J］.岩石矿物杂志，2003，22（4）：391－396.（PENG Tong-jiang，LIU Fu-sheng.Exchangeable cations and exchange capacity of interstratified minerals with vermiculite layers［J］.Acta Petrologica Et Mineralogica，2003，22（4）：391－396.（in Chinese））

［6］ 李 晖，谭光群，彭同江.蛭石对Cd（Ⅱ）的动态吸附研究［J］.化学研究与应用，2000，12（6）：661－663.（LI Hui，TAN Guang-qun，PENG Tong-jiang.Study on the dynamic adsorption of vermiculite to cadmium［J］.Chemical Research and Application，2000，12（6）：661－663.（in Chinese））

［7］ 刘福生，彭同江，张宝述.膨胀蛭石的利用及其新进展［J］.非金属矿，2001，24（4）：5－7.（LIU Fu-sheng，PENG Tong-jiang，ZHANG Bao-shu.Utilization of expanded vermiculite and its new progression［J］.Non-Metallic Mines，2001，24（4）：5－7.（in Chinese） ）

Study on Effect of N and P in Eutrophic Water Absorbed by Vermiculite

SANG Lian-hai，HUANG Wei，CHEN Jin，HUANG Zhuo，TANG Lin-sen
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

It is confirmed as an effective approach to manage eutrophicated lake by planting in water technology，but the popularization of the technology is difficult because of lower crop yield.By indoor experiment，the paper studied the effect of TN，TP in eutrophic water absorbed by expanded vermiculite，which has a better absorption property and cation exchange capacity.Results indicated as follows：Expanded vermiculite has a better absorption capability to TN，TP in eutrophic water；when TN and TP concentration in eutrophic water is 0.5 mg／L and 5 mg／L，absorption equilibrium is obtained basically after 8 h；the removal ratio of TN，TP in eutrophic water is 76%and 30%respectively after 32 h；however，TN and TPconcentration in vermiculite leachate is four times and three times than those in eutrophic water.

lake eutrophication；absorption；expanded vermiculite

X52

ADR2800可见光谱分光光度计。

1001－5485（2010）02－0007－04

2009-01-06

农业科技成果转化基金项目（2006GB23320484）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（YWF201004）

桑连海（1976-），男，吉林长春人，工程师，硕士，主要从事水资源与水环境研究，（电话）027-82926390（电子信箱）hlsang1017＠yahoo.com.cn。

（编辑：王 慰）