氨氮与磷在三种人工湿地填料上的吸附动力学

莫文锐，黄建洪，田森林，武炳君，易 皓

（1.昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明650500； 2.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州510655；3.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州730070）

氨氮与磷在三种人工湿地填料上的吸附动力学

莫文锐1，2，黄建洪1，2，田森林1＊，武炳君3，易 皓2

（1.昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明650500； 2.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州510655；3.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州730070）

利用吸附动力学实验研究了浮石、陶结和陶粒对氨氮和磷的吸附动力学特征.结果表明：浮石对氨氮与磷的吸附容量明显比陶结和陶粒的大.人工湿地填料浮石和陶粒对氨氮与磷，以及陶结对氨氮的等温吸附动力学特征均可以用准一级、准二级和Bangham模型加以描述.其中浮石对氨氮和磷以及陶结对氨氮的吸附以化学吸附反应控制为主，而陶粒对磷的吸附过程则以扩散反应控制为主.三种填料对氨氮和磷的吸附均以表面吸附为主.

湿地；填料；氨氮；磷；吸附；动力学

氨氮与磷皆为造成水体富营养化的主要污染物[1－2].填料是人工湿地这种污水处理系统的重要组分，其吸附作用可大幅提高湿地处理效果.大规模处理污水的人工湿地出于实际应用的经济性考虑，一般都不采用改性材料作为填料，而充分利用当地自然资源，选择合适的填料[3－5]，对人工湿地低耗而有效地去除污水中营养物质具有现实意义.

目前鲜见关于天然浮石和陶结作为湿地填料并吸附污水中氨氮与磷的相关研究，作者选择了云南当地廉价易得的天然浮石、陶结与陶粒这三种多孔矿物质类吸附材料作为研究对象，研究其对氨氮与磷的吸附动力学特征，以期为湿地填料的选择及工业化应用提供理论依据.

1 实验部分

1.1 材料

天然浮石取自云南腾冲火山石加工石厂，陶结与陶粒则取自云南环保陶粒厂，均经破碎过筛而得到粒径为8～12μm的实验填料颗粒，颗粒在阳光下晾晒一天后装瓶备用.SEM－EDS分析得到供试填料的表面主要元素的质量分数如表1所示.

表1 填料表面主要元素质量分数Table 1 Mass fraction of major elements on the surface of the substrates %

1.2 动力学实验设计

将500mL一定浓度的自配水样置于1 000mL具塞锥形瓶（也可是容量瓶或烧杯）中，加入一定粒径的填料25g，在25℃下以200r·min－1的转速分别振荡10、20、40、60、80、100、120、140、160、180min后用注射器抽取一定体积水样并通过滤膜过滤后测定其污染物含量并据此计算不同吸附时间的填料对污染物的吸附量.吸附量的计算如式（1）所示：

式中，qt为t时的吸附量（mg·kg－1）；ρ0与ρt分别为初始及t时溶液中污染物的质量浓度（mg·L－1）；V是溶液体积（L）；m为填料质量（kg）.

1.3 测定方法

氨氮与磷分别用纳氏试剂法（GB 7479－1987）和钼酸铵分光光度法（GB 11893－1989）测定.

2 结果与讨论

2.1 填料吸附量的时间变化

图1是填料吸附量qt随时间t变化的曲线.

图1 吸附动力学曲线Fig.1 Kinetic curves for adsorption

图1显示，浮石对氨氮与磷的吸附容量明显大于陶结和陶粒.浮石和陶粒对氨氮与磷以及陶结对氨氮的吸附量在吸附初期会随时间快速上升，到了后期吸附速率会放缓，直至缓慢达到吸附平衡，达到平衡所需时间均不超过160min.而陶结对磷则由初期25min内的少量吸附到50min后出现解吸量大于吸附量的现象，表明其总体上会向水体释磷而无吸附效果，故不再探讨其吸磷动力学特征.

2.2 氨氮吸附动力学

污染物的等温吸附动力学特征可用准一级模型、准二级模型和Bangham公式描述，还可根据拟合出的动力学方程估算某时刻的吸附量和达到平衡吸附量所需的时间.

准一级吸附动力学模型为：

准二级吸附动力学模型为：

Bangham吸附速度公式为：

式中：qt和qe分别为t时刻和平衡时的吸附量（mg·kg－1）；t为吸附时间（min）；k1与k2分别为准一级和准二级吸附速率常数；n和k皆为Bangham公式的常数.

用式（2）～（4）这三种吸附动力学模型对氨氮的吸附动力学过程进行拟合，结果见表2.

表2 动力学模型对氨氮吸附过程的吻合性Table 2 Fitness of kinetic models to NH＋4－N adsorption

由表2可知，这三种模型均能较好地描述人工湿地填料对氨氮的等温吸附动力学特征，R2都达到了0.9以上.准二级动力学方程对浮石和陶结吸附氨氮的拟合较准一级动力学方程要稍好些，说明化学吸附机制对浮石和陶结吸附氨氮过程的控制要稍强于扩散机制的控制.而陶粒对氨氮的吸附过程则用准一级模型拟合得更好些，说明吸附过程以扩散机制控制为主.Bangham吸附速度公式能较好地描述三种填料对氨氮的等温吸附动力学特征，说明三种填料对氨氮的吸附以表面吸附为主[6].

2.3 磷吸附动力学

用式（2）～（4）这三种吸附动力学模型对磷的吸附动力学过程进行拟合，结果见表3.

表3 动力学模型对磷吸附过程的吻合性Table 3 Fitness of kinetic models to P adsorption

由表3可知，这三种模型均能较好地描述浮石和陶粒对磷的等温吸附动力学特征，R2都达到了0.97以上.准二级动力学方程对浮石吸附磷的拟合要好于准一级动力学方程，说明化学吸附机制对浮石吸附磷过程的控制要强于扩散机制的控制.而陶粒对磷的吸附过程则用准一级模型拟合得稍好些，说明吸附过程受扩散机制控制要稍强于受化学吸附机制控制.Bangham吸附速度公式能较好地描述浮石和陶粒对磷的等温吸附动力学特征，说明这两种填料对磷的吸附以表面吸附为主.

3 结论

1）浮石对氨氮与磷的吸附容量明显大于陶结和陶粒.浮石与陶粒对氨氮与磷以及陶结对氨氮的吸附在初期吸附速率较快，后期则放缓，最后均在160min内缓慢达到吸附平衡.

2）准一级、准二级和Bangham模型均能较好地描述人工湿地填料浮石与陶粒对氨氮与磷、陶结对氨氮的等温吸附动力学特征.浮石吸附氨氮和磷及陶结吸附氨氮的过程均以受化学吸附机制控制为主，而陶粒吸附磷的过程以受扩散机制控制为主.三种填料对氨氮以及浮石和陶粒对磷的吸附均以表面吸附为主.

[1]肖辉煌，张盼月，曾光明，等.沸石用于去除废水中的氨氮[J].环境保护科学，2007，33（2）：7－10.

[2]刘 波，陈玉成，王莉玮，等.4种人工湿地填料对磷的吸附特性分析[J].环境工程学报，2010，4（1）：44－48.

[3]XU De Fu，XU Jian Ming，WU Jian Jun，et al.Studies on the phosphorus sorption capacity of substrates used in constructed wetland systems[J].Chemosphere，2006，63（2）：344－352.

[4]BUBBA M D，ARIAS C A，BRIX H.Phosphorus adsorption maximum of sands for use as media in subsurface flow constructed reed beds as measured by the Langmuir isotherm[J].Water Research，2003，37（14）：3390－3400.

[5]袁东海，景丽洁，高士祥，等.几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析[J].环境科学，2005，26（1）：51－55.

[6]王 宪，钱爱红，邱海源，等.固定化海藻对金属离子吸附效果的研究[J].海洋学报，2005，27（5）：126－130.

Adsorption kinetics of ammonium nitrogen and phosphorus on three kinds of artificial wetland fillers

MO Wen－rui1，2，HUANG Jian－hong1，2，TIAN Sen－lin1＊，WU Bing－jun3，YI Hao2
（1.FacultyofEnvironmentalScienceandEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093，Yunnan，China； 2.SouthChinaInstituteofEnvironmentalSciences，MinistryofEnvironmentalProtection，Guangzhou510655，Guangdong，China； 3.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070，Gansu，China）

The adsorption characteristics of ammonium nitrogenand phosphorus（P）on artificial wetland fillers pumice，lightweight ceramic pellet，and haydite were studied based on adsorption kinetics experiment.Results show that pumice has much higher adsorption capacity toand P than lightweight ceramic pellet and haydite.Pseudo first order model，pseudo second order model and Bangham formula can be used to describe the absorption kinetics ofand P on the three kinds of artificial wetland filers.Particularly，the adsorption ofand P by pumice and the adsorption ofby lightweight ceramic pellet are dominated by chemical adsorption，yet the adsorption of P by haydite is controlled by diffusion effect.Moreover，the adsorption ofand P on the three kinds of artificial wetland fillers is all dominated by surface adsorption.

wetland；filler；ammonium nitrogen；phosphorus；adsorption；kinetics

X 703

A

1008－1011（2012）01－0021－03

2011－09－09.

国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目（2009ZX07102－003－4）.

莫文锐（1987－），男，硕士，研究方向为污染控制化学.＊

.