三種濕地填料對氨氮去除效果研究

方偉成，黃祈棟

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 ， 廣東 東莞 523419)

三種濕地填料對氨氮去除效果研究

方偉成，黃祈棟

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東東莞523419)

填料是人工濕地除氮的主要組成部分，采用動態(tài)吸附試驗，測定了輕質(zhì)磚、陶粒和紅磚三種填料對氨氮去除效果，研究表明，填料基質(zhì)粒徑越大，氨氮的去除率越小；對不同濃度的氨氮廢水，輕質(zhì)磚的去除率在80%左右，陶粒在25%左右，紅磚波動較大；曝氣有利于填料對氨氮的去除，其增幅依次是陶粒(20.84%)>紅磚(10.62%)>輕質(zhì)磚(7.71%)；填料對氨氮的解吸率大小依次為輕質(zhì)磚(57.32%)>紅磚(43.67%)>陶粒(24.76%)，研究顯示，輕質(zhì)磚適合作為人工濕地除氮填料。

人工濕地；填料；氨氮；去除率

氨氮是指水體富營養(yǎng)化的重要原因，當(dāng)水中氨氮濃度超過0.2mg/L時[1]，會引起水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生毒性效應(yīng)，危害水中的魚類和水生生物。目前處理含氨氮廢水的技術(shù)主要有吸附法、催化氧化法、活性污泥法[2-4]，但是這些方法運行成本高、工藝較復(fù)雜[5]。人工濕地是一種利用物理、化學(xué)和生物三者協(xié)同作用凈化污水的生態(tài)工程技術(shù)[5]，具有凈化效果好、運行簡單、投資少、美化環(huán)境等優(yōu)點[6]，已經(jīng)廣泛運用于處理生活污水、工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)污水的磷和氮等[5-7]。填料是人工濕地主要組成部分，因此，強化人工濕地系統(tǒng)除氮能力，關(guān)鍵在于人工濕地填料的選取。

目前，在人工濕地系統(tǒng)中，通常以碎石、礫石、蛭石、沸石、頁巖、河砂、煤渣等作為人工濕地填料[7-11]，而對以建筑廢物作為人工濕地填料的研究少有報道。本研究以廢棄的輕質(zhì)磚、陶粒和紅磚等建筑廢物為人工濕地填料，研究其對氨氮的吸附特性，既能為建筑廢物治理含氮污水提供理論依據(jù)，又能為人工濕地填料的選取提供理論支撐和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以輕質(zhì)磚、陶粒和紅磚為試驗材料，將其研磨成粒徑為2～12mm并烘干后備用。廢水泥磚和廢紅磚從學(xué)校的工地上選取，陶粒購買于建筑市場上。

1.2 填料對氨氮的動態(tài)吸附試驗

試驗裝置采用吸附柱模型(如圖1)，吸附柱的內(nèi)徑為5cm、高度為25 cm的有機玻璃制成，分別稱取各填料200g于吸附柱中，于水力負荷為2cm/d，在曝氣和沒曝氣的條件下，對含氨氮廢水進行動態(tài)吸附。

1．進水箱；2蠕動泵；3鼓風(fēng)機；4吸附柱模型

1.3 基質(zhì)粒徑對氨氮吸附的影響

分別稱取2～4.75mm(T1)、4.75～9mm(T2)和9～12mm(T3)的填料(水泥磚、陶粒和紅磚)200g于吸附柱模型內(nèi)，于水力負荷為2cm/d下，對50mg/L的含氨氮廢水進行動態(tài)吸附后，測量其剩余氨氮濃度。

1.4 不同氨氮濃度對基質(zhì)吸附的影響

分別稱取200g填料于吸附柱模型內(nèi)，于水力負荷為2cm/d下，分別對10mg/L、 30mg/L、50mg/L的含氨氮廢水進行動態(tài)吸附后，測量其剩余氨氮濃度。

1.5 曝氣的條件下基質(zhì)對氨氮吸附的影響

分別稱取200g填料于吸附柱模型內(nèi)，于水力負荷為2cm/d和曝氣強度為2L/min下，對50mg/L的含氨氮廢水進行動態(tài)吸附后，測量其剩余氨氮濃度。

1.6 填料對氨氮的解吸試驗

經(jīng)吸附試驗后的填料，用無水乙醇洗滌干凈，加入0.02mol/L的CaCl2溶液，于室溫、轉(zhuǎn)速200r/min條件下振蕩24h后離心并測定上清液氨氮濃度。

1.7 分析方法和數(shù)據(jù)處理

采用納式試劑分光光度法測定氨氮，采用Excel2010軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)粒徑對水中氨氮吸附效果的研究

基質(zhì)粒徑對氨氮的吸附起到一定的影響，一般認為，粒徑越小，其比表面積就越大，就越有利于吸附行為[6]。由圖2可知，相同條件下，各填料對氨氮的去除率隨著粒徑增大而減少，這說明了基質(zhì)粒徑越小，其吸附效果越好。輕質(zhì)磚對氨氮的去除率隨著粒徑增大從75.82%下降到22.58%，陶粒的則從23.71%下降到10.83%，紅磚的則從37.01%下降到3.80%，可見，粒徑大小對輕質(zhì)磚吸附氨氮的影響最大，其次是紅磚，最小影響是陶粒。值得一提是，在相同基質(zhì)粒徑下，輕質(zhì)磚對氨氮的去除率遠遠比陶粒和紅磚的都要高。這說明輕質(zhì)磚對氨氮的吸附能力比陶粒和紅磚的都要大。

圖2 基質(zhì)粒徑對水中氨氮吸附影響

2.2 不同氨氮濃度對基質(zhì)吸附的影響

由圖3所示，不同氨氮濃度對基質(zhì)的吸附有著不同的影響。其中影響較大的是紅磚，隨著氨氮濃度的增加，其去除率從46.50%下降到37.03%，而輕質(zhì)磚和陶粒的影響較小，其去除率分別基本維持在81.02%～78.80%和23.70%～26.70%之間。比較不同氨氮濃度下，各基質(zhì)對氨氮的去除率，不難發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)磚對氨氮的去除率最大，其次是紅磚，最小的是陶粒。

圖3 不同氨氮濃度對基質(zhì)吸附的影響

2.3 曝氣的條件下基質(zhì)對氨氮吸附的影響

由圖4可知，在曝氣的條件下各基質(zhì)對氨氮的去除率均有所提高，其中陶粒提高的幅度最大，為20.84%，其次是紅磚，為10.62%，最小的是輕質(zhì)磚為7.71%。研究表明，曝氣能夠強化基質(zhì)對氨氮的去除效果，一方面，曝氣能起到攪拌的作用，既能促使基質(zhì)與氨氮親密接觸，又起到解吸作用；另一方面，通過曝氣為微生物提供氧，促使微生物的大量生長，有利于微生物對氨氮的氨化反應(yīng)和同化作用[13]，從而去除水中的氨氮。由于陶粒具有比較大的比表面積，既有利于吸附，又有利于微生物的附著生長，從而提高氨氮的去除率。所以，在曝氣的條件下，陶粒對氨氮的去除率遠遠大于紅磚和輕質(zhì)磚的。但是，即使在曝氣的條件下，輕質(zhì)磚對氨氮的去除率也是遠遠大于陶粒和紅磚。

圖4 曝氣的條件下基質(zhì)對氨氮吸附的影響

填料輕質(zhì)磚紅磚陶粒解吸率/%57.3243.6724.76

2.4 填料對氨氮的解吸效果

研究表明，填料對氨氮的吸附主要包括物理吸附和離子交換[5]。物理吸附主要是由靜電力和毛細力等產(chǎn)生，并發(fā)生在硅鋁酸結(jié)構(gòu)的表面[14]，容易受外界擾動而發(fā)生解吸現(xiàn)象。離子交換就是填料內(nèi)部的陽離子與NH4+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[15]，主要發(fā)生在硅鋁酸結(jié)構(gòu)的里面，其穩(wěn)定性較強，由表1 可得，輕質(zhì)磚的解吸率為57.32%，大于50%，這說明輕質(zhì)磚對氨氮的吸附主要是物理吸附為主，紅磚的解吸率為43.67%，說明其存在物理吸附和離子交換作用，陶粒的解吸率為24.76%，說明其主要是以離子交換為主。

3 結(jié)論

(1)基質(zhì)粒徑對氨氮的吸附存在一定的影響，研究表明填料基質(zhì)粒徑越大，氨氮的去除率越小，對于輕質(zhì)磚、陶粒和紅磚來說，粒徑處于2～4.75mm內(nèi)，其氨氮的去除率最大，分別為75.82%、23.71% 和37.01%。

(2)對于不同初始濃度的含氨氮廢水，輕質(zhì)磚對氨氮的去除率保持在80%左右，陶粒保持在25%左右，紅磚則隨著氨氮濃度的增加，其去除率從46.50%下降到37.03%，說明紅磚適合吸附低濃度的含氨氮廢水。

(3)在曝氣的條件下，陶粒對氨氮的去除率提高了20.84%，紅磚提高了10.62%，輕質(zhì)磚則提高了7.71%，這說明，曝氣有利于填料對氨氮的去除。

(4)氨氮解吸試驗表明，填料對氨氮的解吸率大小依次為輕質(zhì)磚(57.32%)>紅磚(43.67%)>陶粒(24.76%)，說明輕質(zhì)磚對氨氮的吸附主要是物理吸附為主，紅磚的則以物理吸附和離子交換共同作用，陶粒的則主要是離子交換為主。

(5)綜合考慮，輕質(zhì)磚對氨氮的去除率較高，適合作為人工濕地填料。

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(本文文獻格式：方偉成，黃祈棟.三種濕地填料對氨氮去除效果研究[J].山東化工，2017，46(16)：188-190.)

Ammonia Nitrogen Removal of Three Kinds of Wetland Substrates

Fang Weicheng，Huang Qidong

(City College of Dongguan University of Technology,Dongguan 523419,China)

Packing is the main component of nitrogen removal in Constructed Wetlands，By dynamic adsorption test，the paper studied the removal efficiency of three kinds of fillers such as light brick, ceramsite and red brick, research shows that the substrates particle size increasing, the removal rate of ammonia was small, with the ammonia nitrogen wastewater of different concentration, the light brick removal rate was around 80%, the ceramsite was about 25%, the red brick fluctuation was fluctuation; aeration was conducive to substrates to remove ammonia nitrogen, which was followed by an increase of ceramsite (20.84%)>red brick (10.62%)>light brick (7.71%), the rate of ammonia desorption on substrates was followed: light brick (57.32%) >red brick (43.67%) >ceramsite (24.76%).Consequently, light brick is appropriate suitable for constructed wetlands of the nitrogen removal.

constructed wetland; substrate;ammonia nitrogen;removal rate

X703.1

：A

：1008-021X(2017)16-0188-03

2017-05-04

2015年廣東高校省級重大科研項目青年創(chuàng)新人才類項目(NO225)；2014年東莞市高等院校、科研機構(gòu)科技計劃一般項目( 2014106101025)；2015年東莞理工學(xué)院城市學(xué)院青年基金項目(2015QJZ008Z)

方偉成(1981—)，廣東東莞人，碩士，講師，主要從事水污染治理與修復(fù)、固體廢棄物資源化利用。