4種不同填料對氮磷吸附效果的實驗研究

耿 雪，劉樺聰，秦紅燁

（天津大學仁愛學院，天津 301636）

4種不同填料對氮磷吸附效果的實驗研究

耿 雪，劉樺聰，秦紅燁

（天津大學仁愛學院，天津 301636）

選擇沸石、無煙煤、麥飯石和鋼渣作為示范工程的備選填料，通過吸附性能實驗篩選除氮磷效果較好的兩種填料。靜態吸附結果表明4種填料都可用Freundlish 和 Langmuir 吸附等溫方程擬合，沸石對氮的吸附量最大為2.56g/kg，無煙煤對磷的吸附量最大為1.59g/kg。動態吸附結果表明：沸石和麥飯石對氮的吸附效果較好；無煙煤對磷的吸附效果最好；其它3種填料除磷效果次于無煙煤。最終選擇沸石與無煙煤作為示范工程的組合填料。

填料；雨水徑流；吸附

生活污水、工業廢水、農田面源污染使水體環境受到嚴重破壞，排入湖泊、河流造成氮磷含量超標，引發水體富營養化。

全國84個代表性湖泊約有52%的湖泊呈富營養狀態，48%的湖泊為中營養狀態，富營養化狀況十分嚴重［1］，因此研究水體脫氮除磷顯得迫切而重要。傳統的化學法除氮磷費用高且產生大量污泥，某些生物法也存在工藝復雜、運行成本高、去除效率差等問題［2］。

人工濕地技術由于其生態性和運行成本低等特點，成為除氮磷的研究熱點，其中填料起主要作用，通過填料的過濾、吸附、沉淀、微生物降解以及植物和藻類吸收等多種途徑共同完成。所以選擇濕地填料時，需對其吸附氮磷的性能進行實驗研究。

天然填料是目前應用最廣泛的填料，但工業廢料作為濕地填料可充分發揮資源的再利用潛力，與天然填料組合，可達到較好的處理效果。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：沸石、無煙煤、麥飯石、鋼渣，取自鞏義市恒鑫填料廠，粒徑2mm，試驗用水為自配水。

試驗儀器與方法：紫外-可見分光光度計（752 系列）、電子分析天平（EL104）、低速離心機（L535R-1）、恒溫振蕩箱（HZQ-Q）等。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法。

1.2 實驗方法

（1）填料對氮磷的等溫吸附。配制濃度為5、10、20、40、60、80、100mg/L 的 NH4Cl（KH2PO4）溶液于250ml 的錐形瓶中，放入10g填料，25℃恒溫振蕩24h，振蕩完畢后在3000r/min下離心5min，取上清液測定氮磷濃度，每種填料設3組平行實驗。

（2）單一水質的吸附動力學實驗。稱取10g填料于一定濃度的NH4Cl（KH2PO4）溶液，25℃恒溫振蕩1、3、5、10、20、30、50、70、130、190、250min后取樣，測定吸光度，每種填料設3組平行實驗。

（3）混合水質的吸附動力學實驗。配制含有一定濃度的KNO3、KH2PO4、NH4Cl的混合溶液于錐形瓶中，總磷、氨氮、總氮濃度分別為 4mg/ L、 1.5mg/L、 6mg/ L，取10g填料于錐形瓶中，恒溫25℃振蕩5、10、20、40、60min后取樣，測定吸光度，每種填料設3組平行實驗。

2 結果與討論

2.1 填料對氮磷的等溫吸附擬合曲線

4種填料對氮磷的吸附量均隨磷溶液初始濃度增加而增大，使用Langmuir和Freundlich方程擬合等溫吸附曲線，相關參數見表1、2。

表1 4種濾料氮吸附量曲線擬合相關系數

表2 4種濾料磷吸附量曲線擬合相關系數

式中：Q為吸附平衡時填料的吸附量，mg/kg；Ce為溶液平衡質量濃度，mg/L；b為理論飽和吸附量，g/kg；a、c、d均為常數。

由相關系數R2>0.9可知，Langmuir和Freundlich都能較好描述4種填料對氮磷的吸附，無煙煤、麥飯石、鋼渣使用前者的擬合度較高，沸石使用后者的擬合度較高。沸石對氮的理論吸附量最大，為2.56g/kg，這與沸石自身的結構特點以及含有較多可以與水中銨離子交換的陽離子有關；其次是麥飯石為1.75g/kg；無煙煤和鋼渣較小，分別為1.30和 1.08g/kg。由于無煙煤中含有較多金屬離子可以與水中磷酸根發生沉淀反應，無煙煤對磷的理論吸附量最大，為1.59g/kg；沸石次之，為1.33g/kg；麥飯石和鋼渣最小，在0.90mg/kg左右。

2.2 單一水質動力學吸附

濾料整個的吸附過程分為快、中、慢三個階段，分別對應著不同的吸附位點，對吸附過程階段速率有著不同的影響［3］。如圖1所示，沸石和麥飯石隨著吸附時間延長，對氮的去除率增加達到85%以上，且沸石達到吸附平衡的時間最短吸附速度最快，吸附量為91.90mg/kg。無煙煤在120min時溶液中氮的溶度反而增加，可能是吸附在顆粒上的氮重新釋放到溶液中，吸附時間延長利于無煙煤對氮的吸附。鋼渣中存在易溶離子對高價態的金屬性離子吸附能力強，對銨根離子吸附效果較差。使用X熒光光譜儀（XRF）對實驗所用4種填料進行檢測，其中麥飯石含54%的SiO2和17%的Al2O3，沸石含58%的SiO2和12%的Al2O3，此類硅鋁氧化膠體成分會提供巨大的比表面積。但相比于沸石，麥飯石引起不具有沸石的晶狀體結構及靜電場力，可能在單位時間內的吸附量比沸石少。

如圖2所示，無煙煤對磷的吸附效果明顯最好，在5min內去除率即到達92%，濃度已降至 0.33mg/L，吸附量已達到 51.75mg/kg，無煙煤有直徑與分子相當的炭分子超微孔，且分布均一，物理化學吸附作用和化學反應作用強，可作為優質的除磷濾料。另外3種填料濃度變化趨勢一致，0～50min 內吸附速率較快，50min之后，變化逐漸趨向平緩，去除率為24%～55%，吸附量基本飽和。

圖1 4種填料對氮的去除效果

圖2 4種填料對磷的去除效果

2.3 混合水質動力吸附

圖3 4種填料在混合水質中的吸附效果

4種填料在混合水質中對總氮、總磷、氨氮的吸附效果如圖3所示，結果顯示：沸石和麥飯石對氮的去除效果較其它兩種填料好，總氮達到吸附平衡的時間為20min，去除率分別為27%、10%，氨氮去除率分別為89%、 36%，其中沸石達到吸附平衡的時間較短為10分鐘，麥飯石為50min；無煙煤對磷的吸附量最大吸附速度最快，達到吸附平衡時間為5min，去除率為66%，其它3種填料對磷的去除效果相差不大。進一步驗證了單一水質動力吸附的結果。

3 結論

（1）通過靜態吸附實驗，結果表明4種填料對氮的吸附量排序為沸石（2.56g/kg）＞麥飯石（1.75g/kg）＞無煙煤（1.30g/kg）＞鋼渣（1.08g/kg）；填料對磷的理論最大吸附量為無煙煤（1.59g/kg）＞沸石（1.33g/kg）>麥飯石（0.89mg/kg）＞鋼渣（0.86g/kg）。

（2）單一水質和混合水質的動態試驗結果顯示：沸石和麥飯石對氮的吸附速度較快、去除效率較高，其中沸石效果最好；無煙煤對磷的吸附效果明顯優于其它3種填料，單一水質5min即達到吸附平衡去除效率92%，混合水質5min達到吸附平衡，由于吸附少量總氮，去除效率為66%。

（3）4種填料作為示范工程備選填料時，可選擇沸石與無煙煤組合使用，氮磷的去除效果將優于單一填料，填料的級配與比例是影響污染物去除率的重要因素［4］，可再進行小試及中試實驗確定填料的裝填方式。

［1］田永杰，唐志堅，李世斌.我國湖泊富營養化的現狀和治理對策［J］.環境科學與管理，2006，31（5）：119-121.

［2］郭迎慶，張玉先.人工濕地生態系統脫氮除磷機理及研究進展［J］.給水排水，2009，35（S1）：114-117.

［3］趙桂瑜，周琪，秦琴.幾種人工濕地基質對磷素的吸附作用研究［J］.中國環境學報，2006，29（6）：211-214.

［4］張騰，周君，李豐，等.用于人工濕地污水處理的復合填料的研究進展［J］.科學情報開發與經濟，2013，23（2）：156-160.

X703

A

1671-3818（2016）10-0003-02

環境保護部水體污染控制與治理科技重大專項“海河干流水環境質量改善關鍵技術與綜合示范”（2014ZX07203009）。