5種人工濕地填料對(duì)氨氮和磷的吸附效果研究

趙占軍，王玉杰，王云琦

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

5種人工濕地填料對(duì)氨氮和磷的吸附效果研究

趙占軍，王玉杰*，王云琦

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

以沸石、圓陶粒、粗砂、頁巖、礫石為試驗(yàn)材料，研究人工濕地填料對(duì)氨氮、TP的吸附特性。結(jié)果表明，在相同進(jìn)水水質(zhì)和水力負(fù)荷的運(yùn)行條件下，沸石對(duì)氨氮的吸附量最大，頁巖的吸附量在90 m in時(shí)達(dá)到最大值，沸石、圓陶粒、粗砂的吸附量在120 min時(shí)達(dá)到最大值，礫石的吸附量在150 min時(shí)達(dá)到最大值；礫石對(duì)TP的吸附量最大，粗砂次之，沸石的最小，頁巖和粗砂的吸附量在第120 m in時(shí)達(dá)到最大，沸石和圓陶粒的吸附量在120 m in后基本穩(wěn)定；溫度為25℃時(shí)，沸石對(duì)氨氮的吸附效果最好，礫石對(duì)TP的吸附效果最好；溶液pH值＜7時(shí)，沸石對(duì)氨氮有較好的吸附效果；溶液pH值≥7時(shí)，有利于各填料對(duì)TP的吸附。

人工濕地；填料；吸附；氨氮；磷

人工濕地由于具有建造和運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、適用面廣等特點(diǎn)，已被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于污水的深度處理[1～3]。人工濕地對(duì)氨氮和磷的去除是填料吸附、植物吸收和微生物去除三種途徑共同作用的結(jié)果[4]。填料是人工濕地的重要組成部分，對(duì)于凈化污水，特別是去除氨氮、TP有著重要的作用。目前人工濕地填料去污性能比較大多依據(jù)填料對(duì)特征污染物的去除[5～7]。填料對(duì)污染物的去除主要是吸附作用，包括物理吸附和化學(xué)吸附。但是填料對(duì)氨氮、TP的吸附特性缺乏深入研究。本文選取沸石、圓陶粒、粗砂、頁巖、礫石為填料。

1 人工濕地填料吸附機(jī)理

人工濕地填料對(duì)污水的吸附是指當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地與多孔性固體填料接觸時(shí)，污水中某一種污染物或多個(gè)污染物在固體表面處產(chǎn)生積蓄的現(xiàn)象[8]。吸附作用包括物理吸附和化學(xué)吸附，兩者并不是孤立的，往往相伴發(fā)生。

1.1 物理吸附

物理吸附是吸附劑和吸附質(zhì)之間通過分子間作用力（范德華力）產(chǎn)生的吸附。分子間力是普遍存在的，所以一種吸附劑可吸附多種吸附質(zhì)。由于分子間的作用力較弱，吸附的物質(zhì)也較容易被解吸出來，所以物理吸附過程是可逆的。

1.2 化學(xué)吸附

化學(xué)吸附是吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起的吸附，只能形成單分子吸附層。化學(xué)吸附具有選擇性，一種吸附劑只能對(duì)某種或幾種吸附質(zhì)發(fā)生化學(xué)吸附，化學(xué)吸附一般是不可逆的。

影響吸附的因素是多方面的，吸附劑性質(zhì)與活性、吸附質(zhì)的性質(zhì)與濃度、吸附過程的操作以及吸附時(shí)間等條件，均影響吸附效果。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料購(gòu)自北京某環(huán)保填料公司。選取的填料為：沸石、圓陶粒、礫石、頁巖、粗砂。試驗(yàn)使用的污水來自生活污水，氨氮濃度范圍是5～45 mg/L，TP的濃度范圍是2～15 mg/L。

2.2 試驗(yàn)方案

五種填料各取50 g，投入500 m L的錐形瓶，加入500 m L一定濃度的污水，每隔10 min搖勻一次，取上清液，分析其中氨氮和TP的含量。改變吸附條件中的吸附時(shí)間、溫度以及污水的pH值，由試驗(yàn)結(jié)果求得填料對(duì)污染物的吸附量，分析各種填料在不同吸附條件下對(duì)NH4+-N和TP吸附效果的影響。

2.3 分析方法

采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局標(biāo)準(zhǔn)分析方法[9]：氨氮測(cè)定采用紫外分光光度法，TP測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法。

3 結(jié)果與分析

3.1 吸附時(shí)間對(duì)氨氮和磷吸附效果的影響

試驗(yàn)條件：氨氮進(jìn)水濃度約為14.82 mg/L，TP的進(jìn)水濃度約為5.26 mg/L，溫度為25℃。不同吸附時(shí)間后，氨氮、TP的出水濃度見表1、表2；氨氮、TP的吸附量隨時(shí)間的變化見圖1、圖2。

表1 不同吸附時(shí)間后氨氮的出水濃度Table 1 Ammonia nitrogen concentration at the different tested time

由表1可知，五種填料處理在不同吸附時(shí)間對(duì)氨氮的出水濃度具有極顯著影響。吸附120 min時(shí)，沸石和圓陶粒的氨氮出水濃度達(dá)到最低，分別為1.20 mg/L和9.68 mg/L，二者與頁巖、礫石、粗砂的氨氮出水濃度有顯著性差異；頁巖在吸附90 min時(shí)，出水濃度達(dá)到最低，為9.90 mg/L。這是由于吸附平衡所需的時(shí)間與填料的表面積及顆粒大小有關(guān)，顆粒越小、表面積越大，吸附平衡所需的時(shí)間越短。

由填料吸附前后溶液中所含物質(zhì)的濃度可計(jì)算填料的吸附量，填料吸附量的計(jì)算見式1：

式中，M為吸附劑的吸附量（mg/g），C0、Ce為吸附前后溶液中氮（磷）的濃度（mg/L），V為吸附試驗(yàn)中所取溶液體積（m L），W為吸附劑用量（g）。

由圖1可見，頁巖的吸附量在90 min時(shí)達(dá)到最大值，沸石、圓陶粒、粗砂的吸附量在120 m in時(shí)達(dá)到最大值，礫石的吸附量在150 m in時(shí)達(dá)到最大值。五種填料中沸石的吸附量最大，圓陶粒次之，頁巖、礫石和粗砂的吸附量最小。

由表2可知，沸石和圓陶粒的出水濃度一直在降低，但在吸附120min后降幅較小趨于平穩(wěn)；頁巖和粗砂的出水濃度在第120min達(dá)到最低值，之后有所回升；礫石的出水濃度不穩(wěn)定，吸附150min時(shí)，TP出水濃度最小，為1.43mg/L；圓陶粒和頁巖在各吸附時(shí)間的TP出水濃度差異不顯著。

圖1 吸附時(shí)間對(duì)各填料吸附氨氮效果的影響Figure 1 Effect of adsorption time on ammonia nitrogen adsorption by different filled substrates

表2 不同吸附時(shí)間后TP的出水濃度Table 2 TP concentration at the different tested time

由圖2可見，礫石對(duì)TP的吸附量最大，粗砂渣次之，沸石的最小；粗砂在120 min時(shí)，對(duì)TP的吸附量達(dá)到最大值，而后吸附量開始下降；礫石在150 min時(shí)，對(duì)TP的吸附量達(dá)到最大值，而后吸附量開始下降；沸石、頁巖和圓陶粒隨著吸附時(shí)間的增加，對(duì)TP的吸附量也隨之增長(zhǎng)，到120 m in后趨于穩(wěn)定。

3.2 溫度對(duì)氨氮和磷吸附效果的影響

試驗(yàn)條件：氨氮進(jìn)水濃度為13.26 mg/L，TP的進(jìn)水濃度為4.38 mg/L，時(shí)間取120 min。不同溫度條件下，各填料對(duì)氨氮、TP的出水濃度分別見表3，各填料對(duì)氨氮和TP的吸附容量見圖3、圖4。

圖2 吸附時(shí)間對(duì)各填料吸附TP效果的影響Figure 2 Effect of absorption time on TP absorption by different filled substrates

由表3可知，五種填料處理在不同溫度下對(duì)氨氮的出水濃度具有極顯著影響。沸石在溫度為25℃時(shí)的氨氮出水濃度最低，為1.13 mg/L，圓陶粒、頁巖、礫石、粗砂的氨氮出水濃度依次遞增；在溫度為10℃和25℃時(shí)，沸石的氨氮出水濃度與圓陶粒、頁巖、礫石、粗砂的氨氮出水濃度具有顯著性差異。

由圖3可見，溫度為25℃時(shí)沸石對(duì)氨氮的吸附量最大；沸石、圓陶粒、頁巖、礫石和粗砂這五種填料對(duì)氨氮的吸附量都隨著溫度升高而有所增加，但變化不明顯，所以在10～25℃的范圍內(nèi)，溫度對(duì)這五種填料吸附氨氮的影響不大。

由表3可知，溫度為10℃和25℃時(shí)，五種填料中礫石的TP出水濃度最低，分別為1.53 mg/L和1.47 mg/L，礫石的TP出水濃度與沸石、圓陶粒、頁巖具有顯著性差異；礫石和粗砂的TP出水濃度與無顯著性差異。

由圖4可見，圓陶粒、頁巖、礫石和粗砂在溫度為25℃時(shí)TP的吸附量大于溫度為10℃時(shí)的吸附量；沸石在溫度為25℃時(shí)TP的吸附量小于溫度為10℃時(shí)的吸附量，說明溫度高不利于沸石對(duì)TP的吸附。

表3 不同溫度下氨氮和TP的出水濃度Table 3 Ammonia nitrogen and TP concentration at different temperatures

圖3 溫度對(duì)各填料吸附氨氮效果的影響Figure 3 Effect of temperature on ammonia nitrogen adsorptionby different filled substrates

圖4 吸附溫度對(duì)各填料吸附TP效果的影響Figure 4 Effect of temperature on TP adsorption by different filled substrates

3.3 pH值對(duì)氨氮和磷吸附效果的影響

試驗(yàn)條件：氨氮進(jìn)水濃度約為14.49 mg/L，TP的進(jìn)水濃度約為4.82 mg/L，吸附時(shí)間取120 min，溫度為25℃。不同pH值條件下，氨氮、TP的出水濃度見表4，各填料對(duì)氨氮和TP的吸附容量見圖5、圖6。

表4 不同pH值時(shí)氨氮的出水濃度Table 4 Ammonia nitrogen concentration at differ ent pH values

由表4可知，在相同的pH值條件下，沸石的氨氮出水濃度最低，與圓陶粒、頁巖、礫石、粗砂的氨氮出水濃度具有顯著性差異；礫石和粗砂的氨氮出水濃度較大，二者無顯著性差異。

由圖5可見，沸石在酸性溶液中對(duì)氨氮的吸附量變化不明顯，pH值在6～7時(shí)吸附量最大，當(dāng)pH值＞7時(shí)，沸石對(duì)氨氮的吸附量隨著pH值的增大而迅速減少，可見中性或偏酸性環(huán)境有利于沸石對(duì)氨氮的吸附；圓陶粒對(duì)氨氮的吸附量在pH值＜7時(shí)，隨著pH值的增大而增加，pH值≥7后，圓陶粒對(duì)氨氮的吸附量趨于穩(wěn)定；頁巖在pH值為8時(shí)對(duì)氨氮的吸附量達(dá)到最大；pH值對(duì)礫石和粗砂的氨氮吸附量影響不明顯。

由表4可知，污水pH值＜7時(shí)，沸石的TP出水濃度最高，與圓陶粒、頁巖、礫石、粗砂的TP出水濃度具有顯著性差異；圓陶粒、頁巖、礫石和粗砂四種填料的TP出水濃度間無顯著性差異。pH值≥7時(shí)，礫石和粗砂的TP出水濃度分別與沸石、圓陶粒、頁巖的TP出水濃度具有顯著性差異；沸石、圓陶粒和頁巖的TP出水濃度間無顯著性差異。

圖5 pH值對(duì)各填料吸附氨氮效果的影響Figure5 Effect of pH value of tested solution on ammonia nitrogen adsorption by different filled substrates

圖6 pH值對(duì)各填料去除TP效果的影響Figure 6 Effect of pH value of tested solution on TP adsorption by different filled substrates

由圖6可見，五種填料對(duì)TP吸附量隨pH值變化的趨勢(shì)基本一致，都是隨著pH值的增大吸附量增加。其中礫石和粗砂變化非常明顯，pH值大于7時(shí)的吸附量明顯大于pH值小于7時(shí)的吸附量。可見，在堿性環(huán)境下更有利于礫石和粗砂兩種填料對(duì)磷的吸附。

4 結(jié)論與討論

本研究采用沸石、圓陶粒、頁巖、粗砂、礫石為試驗(yàn)材料，比較不同吸附時(shí)間、溫度以及pH值條件下，填料對(duì)氨氮和TP的吸附效果。結(jié)果表明，在相同進(jìn)水水質(zhì)，水力負(fù)荷的運(yùn)行條件下，沸石對(duì)氨氮的吸附量最大，圓陶粒次之。礫石對(duì)TP的吸附量最大，粗砂次之，沸石最小。溫度為25℃時(shí)，沸石對(duì)氨氮的吸附效果最好，礫石對(duì)TP的吸附效果最好；酸性環(huán)境沸石具有較好的氨氮吸附效果；堿性環(huán)境有利于填料對(duì)TP的吸附。

在今后的人工濕地填料選擇上，在凈化以氨氮為主要污染物的污水時(shí)，選用對(duì)氨氮吸附容量最大的沸石、圓陶粒為填料較為理想；而在凈化以磷為主要污染物的水體時(shí)，選用對(duì)磷吸附量大的粗砂和礫石較為理想。

[1] GREENWAY M. Suitability of macrophytes for nutrient removal from surface flow constructed wetlands receiving secondary treated sewage effluent in Queensland, Australia[J]. W at Sci Tech，2003，48（2）：121－128.

[2] 陳長(zhǎng)太，王雪，祁繼英. 國(guó)外人工濕地技術(shù)的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)給水排水，2003，19（12）：105－106.

[3] 范志峰，李平，王麗卿，等. 復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)面源污染水處理上的應(yīng)用[J]. 上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，19（2）：259－264.

[4] Lantzke L R，M itchell D S，Heritage A D，et a1. A model of factor controlling orthophosphate removal in planted vertical flow wetlands[J]. Ecol Engin，1999（12）：93－105.

[5] 劉波，陳玉成，王莉瑋，等. 4種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4（1）：44－48.

[6] 郭本華，宋志文，韓瀟源. 碎石、沸石和頁巖陶粒構(gòu)建人工濕地的除磷效果[J]. 工業(yè)用水與廢水，2005，36（2）：46－48.

[7] 柳文麗，劉波，陳玉成，等. 3種人工濕地填料對(duì)磷的動(dòng)態(tài)吸附特征[J]. 四川環(huán)境，2011，30（1）：26－29.

[8] 葉振華，宋清. 化學(xué)工程手冊(cè)（第17篇）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985.

[9] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）[M]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

Absorp tion Properties of Amm onia Nitrogen and Phosphorus by Different Substrates in Constructed Wetland

ZHAO Zhan-jun，WANG Yu-jie，WANG Yun-qi
（College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating, M inistry of Education, Beijing 100083, China）

Experiment was conducted on absorption properties of ammonia nitrogen and phosphorus(TP) by zeolite, ceramsite, coarse sand, shale and gravel in constructed wetland. The result showed that under the same input condition of water quality and power, zeolite had the most amount of ammonia nitrogen absorption. Shale’s absorption topped by the end of 90 m inutes, while zeolite, ceramsite and coarse sand’s by the end of 120 minutes, and gravel at 150minutes. For TP adsorption, gravel had the maximum absorption amount, followed by coarse sand, and zeolite had the minimum. Shale and coarse sand’s largest capacity of absorption occurred at the time 120 minutes, the adsorption amount of zeolite and ceramsite was stable 120 m inutes later. The experiment demonstrated that at 25℃, zeolite performed the best absorption of ammonia nitrogen and the gravel of TP. W hen the tested solution pH<7, zeolite had the best absorption of ammonia nitrogen, when pH≥7, which could promote the absorption of TP by each filled substrates.

constructed wetland; substrate; adsorption; ammonia nitrogen; phosphorus

S718.51

A

1001-3776（2011）01-0028-05

2010-08-19；

2010-11-19

“948”國(guó)家林業(yè)局引進(jìn)項(xiàng)目“城市河流生態(tài)系統(tǒng)森林生物工程修復(fù)技術(shù)引進(jìn)”（2007-4-14）

趙占軍（1980－），男，吉林長(zhǎng)春人，博士研究生，從事河流生態(tài)修復(fù)方向研究；*通訊作者。