6种人工湿地填料对氮·磷的吸附效果研究

李琼辉 于伟鹏 李小荣等

摘要[目的]探讨6种人工湿地填料对水体中氨氮、总磷污染物的处理效果。[方法]通过静态摇床试验，研究沸石、火山石、蛭石、柱状活性炭、生物陶粒、无烟煤填料吸附氨氮和总磷的能力，建立各填料等温吸附模型。[结果]沸石对氨氮的吸附效果最好，蛭石、火山石次之，而柱状活性炭、生物陶粒、无烟煤对氨氮的吸附效果较差；柱状活性炭、火山石对总磷的吸附效果较好，其他填料对总磷的吸附效果较差；6种填料的等温吸附过程的拟合结果符合Freundlich吸附模型。[结论]从吸附氨氮、总磷性能的角度考虑，沸石、火山石是人工湿地填料较好的选择。

关键词人工湿地；填料；氮；磷

中图分类号S181文献标识码A文章编号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

隨着城市经济、工业的快速发展，河流、湖泊的富营养化污染日益加剧，严重破坏了水体生态环境，其中，对造成水体富营养化的主要物质氮、磷的控制十分迫切。人工湿地污水处理系统作为一种生态式的污水处理技术已得到广泛应用，其主要通过植物、微生物、填料的作用进一步削减城市排水中的污染物[1-2]。其中，填料作为人工湿地的重要组成部分，对于人工湿地的污水处理效果有着重要的促进作用[3-4]。目前，人工湿地主要应用沙粒、砾石、碎石作为填料，但是研究发现他们对氮、磷的处理能力有限[5]。鉴于此，笔者选择常见的4种天然矿物材料（沸石[6-7]、蛭石[8-9]、火山石[10]、无烟煤）和2种人工合成材料（活性炭粒、生物陶粒）作为人工湿地基质，研究了这6种材料对氨氮、总磷吸附处理效果及吸附等温过程，旨在为人工湿地填料的选择应用及进一步提高人工湿地系统的污水处理能力提供基础数据和理论指导。

1材料与方法

1.1材料供试材料为沸石、火山石、蛭石、柱状活性炭、生物陶粒、无烟煤6种人工湿地填料。其中，沸石、火山石、柱状活性炭、生物陶粒、无烟煤购自河南巩义市某净水材料厂，蛭石购自河北石家庄某园艺厂。供试仪器为uv6100s分光光度仪，WMXⅢB微波消解装置。

1.2方法选取6种常用的人工湿地填料对氨氮、总磷处理进行静态试验，配制不同浓度的KH2PO4和NH4Cl溶液（按N、P计20、40、60、80、100 mg/L），取50 mL加入各锥形瓶中，并分别加入一定量的沸石、火山石、蛭石、柱状活性炭粒、生物陶粒、无烟煤，置于恒温水浴振荡锅中，设置温度为30 ℃，以80 r/min匀速振荡，振荡反应时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0 d，取上清液过滤，测定溶液中的氨氮、总磷含量，并计算其吸附容量（q）。

q=[（C0-Cr）·V]/m（1）

式中，q为填料在t时刻对氨氮、总磷的吸附容量，mg/g；C0为氮、磷溶液初始浓度，mg/L； Ct为t时刻溶液中氮、磷浓度，mg/L；m为填料添加质量，g；V为溶液体积，L。主要测定方法：NH4N用纳氏试剂分光光度法测定；TP用过硫酸钾硝解分光光度法测定。

1.3Frendlich吸附等溫模型的建立吸附等温模型是用来描述在一定温度条件下，当吸附达到平衡时，吸附剂的吸附容量与平衡溶液浓度之间的关系。在沸石、火山石、生物陶粒、蛭石、柱状活性炭、无烟煤填料吸附氨氮、总磷达到平衡时，对各平衡浓度与吸附容量的关系进行吸附等温方程拟合[11]。各填料吸附氨氮、总磷的过程主要满足Freundlich模型，其拟合方程的各参数见表1。

Frendlich吸附等温式主要描述吸附剂表面吸附位不均一或吸附位吸附粒子相互影响的吸附过程，其表达式见式（2）：

qe=Ke C1/ne （2）

Freundlich吸附等温式线性形式见式（3）：

qe=lnKF+1/nlnCe （3）

式中，Ce为溶液平衡浓度，mg/L；qe为吸附容量，mg/g；n为吸附常数；KF为吸附平衡常数。

Freundlich吸附等温式中，吸附系数KF与吸附的异质性有关，吸附指数1/n与吸附过程的自发性和吸附位的能量分布有关[12]。

2结果与分析

2.16种人工湿地填料对氨氮的吸附作用从图1可以看出，在氨氮浓度为20～100 mg/L，反应时间为0.5～2.0 d时，随着反应时间的延长，6种填料对氨氮的吸附容量均呈增长趋势，并在2.0 d时均达到吸附平衡状态。由于吸附时间越长，填料对氨氮的吸附作用越充分，因此吸附剂对吸附质的吸附量随时间的延长而增加，并逐渐趋于平衡。这是由于氨氮浓度越大，填料周围氨氮浓度梯度越大，单位吸附剂可吸附质的量越多，因而随氨氮初始浓度的增大，填料对氨氮的吸附容量越大。在氨氮初始浓度为100 mg/L时，分别测得各填料对氨氮的最大吸附容量：沸石为3.76 mg/g，火山石为0.97 mg/g，生物陶粒为0.28 mg/g，蛭石为2.27 mg/g，柱状活性炭为0.65 mg/g，无烟煤为0.73 mg/g。由此可知，各填料对氨氮的吸附容量表现为沸石>蛭石>火山石>无烟煤>柱状活性炭>生物陶粒，这说明沸石、蛭石、火山石对氨氮吸附作用更加显著，吸附效果更好，这与3种材料的微孔结构更加发达、离子交换能力强有关[13-14]。

2.26种人工湿地填料对总磷的吸附作用从图2可以看出，在总磷浓度为20～100 mg/L、反应时间为0.5～2.0 d时，随着反应时间的延长，6种填料对总磷的吸附容量呈增长趋势，并在2.0 d时均达到吸附平衡状态。在反应时间一定时，随着总磷初始浓度的增大，各填料对总磷的吸附容量呈增加趋势。在总磷初始浓度为100 mg/L时，分别测得各填料对磷的最大吸附容量：沸石为0.51 mg/g，火山石为0.72 mg/g，生物陶粒为0.42 mg/g，蛭石为0.39 mg/g，活性炭为1.74 mg/g，无烟煤为0.41 mg/g。各填料对总磷的吸附容量表现为柱状活性炭>火山石>沸石>生物陶粒>无烟煤>蛭石，这说明柱状活性炭、火山石对总磷吸附效果更加显著、吸附效果更好。这是由于柱状活性炭、火山石的孔隙发达，常含有一些可与磷酸盐发生固化作用的重金属离子。

2.3Frendlich吸附等温模型由表1可知，各填料对氨氮、总磷的吸附过程与Freundlich模型吻合度较好，R2>0.900。参数1/n值在0.100～0.500时吸附易于进行，大于2.000时吸附难于进行[15]。沸石、火山石、生物陶粒、蛭石、柱状活性表16种填料吸附氨氮、总磷过程的Freundlich等温模型的拟合

参数炭、无烟煤对氨氮、总磷吸附的拟合参数1/n均小于2.000，因此，在对污染物吸附去除效果上，各填料均适合作为人工湿地填料。另外，Freundlich模型反映了平衡浓度与吸附容量的关系，一定程度上可以根据污染物浓度来指导吸附剂的投加量。注：a为沸石，b为火山石，c为生物陶粒，b为蛭石，e为柱状活性炭，f为无烟煤。

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

图2不同总磷浓度和不同反应时间下各填料对总磷的吸附容量比较

Fig.2Comparison of total phosphorus adsorption capacity under different phosphorus concentration and different reaction time44卷4期李琼辉等6种人工湿地填料对氮·磷的吸附效果研究3结论与讨论

（1）该研究结果表明，6种填料对氨氮的吸附能力不同，在相同浓度下，沸石对氨氮吸附容量最大，蛭石和火山石吸附效果相对较好，其他填料吸附氨氮效果相对较差。6种填料对总磷的吸附能力不同，柱状活性炭的吸附容量最大，火山石次之，其他填料的效果相对较差。6种填料的对氨氮、总磷的吸附过程均符合Freundlich等温吸附规律，均可作为人工湿地填料。为控制水体富营养化，沸石、火山石、蛭石、柱状活性炭是人工湿地填料去除氮、磷较好的选择；而柱状活性炭成本高，不利于在人工湿地中大规模应用。

（2）赵发敏等[16]研究表明，沸石对氨氮的去除效果较好，去除率可达87.65%；张燕等[17]研究表明，火山石对氨氮有较好的吸附效果，最大吸附容量为0.98 mg/g；苗伟红[18]研究了沸石、蛭石、石灰石对氨氮的吸附效果，结果表明：沸石对氨氮的吸附容量明显大于其他2种填料，其次为蛭石，蛭石对氨氮也具有较好的吸附作用，这与笔者的研究结果一致；殷玉蓉等[19]研究表明，在活性炭强化下的混凝作用对磷的去除率可达90.3%；曹飞华等[20]以沸石、碎石、火山石作为填料模拟人工湿地污水处理系统的研究表明，火山石填料对总磷的去除效果最好，其次为碎石，沸石最差，这与笔者得出的活性炭、火山石对总磷的吸附作用较好的结果一致。

（3）该试验从材料自身吸附的角度分析对比了6种人工湿地填料的氨氮、总磷富营养化物质的去除，可在一定程度上为工程应用提供理论指导。但是，在人工湿地污水处理系统中，微生物、植物、填料的作用是相互联系、密不可分的，为了更加系统地研究人工湿地填料的作用，今后将进一步研究填料对微生物、植物生长的影响以及填料层级布置对人工湿地的影响以及填料对人工湿地堵塞方面的影响。

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