4種人工快速滲濾系統填料對氮磷的吸附和解吸特性研究

晏雯雯，張國珍,2，張超，武福平，師旭軍，王萬紅

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.寒旱地區水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730070)

西北干旱地區農灌水資源匱乏，農田施肥導致面源污染加劇[1-3]。然而，該地區污水處理都以達標排放為目標，雖然減少了污水處理成本，卻浪費了污水中的氮磷。

人工快速滲濾系統具有占地面積較小、運行成本低和不排泥等優點[4-6]。通過選用適宜的填料，既可以使其出水達到農灌水質標準，又可以充分保留污水中的氮磷。但不同研究者在填料篩選實驗中，所用的填料種類和實驗步驟各不相同，且少有進行氮磷吸附和解吸的完整實驗，故其可比性不強[7-12]。本文在前人研究的基礎上，初步篩選了4種填料，通過吸附和解吸實驗，研究了其對氮磷的吸附和解吸特性，以期篩選出適宜的填料。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

黏土陶粒、頁巖陶粒、細砂(2～3 mm)、粗砂(3～5 mm)均購買于網上，工業品，為避免供試填料表面殘留的含氮物質及含磷物質影響其對氮、磷的吸附解吸實驗結果，所有填料均用無氨水沖洗，并在105 ℃下干燥2 h后備用；NH4Cl、KH2PO4、無水乙醇、CaCl2均為分析純。

FA2004電子天平；5B-1B COD快速測定儀；THZ-82A汽浴恒溫振蕩器；202-00電熱恒溫干燥箱；DGL-50B立式蒸汽滅菌器；HH-S6電熱恒溫水浴鍋；UV-2800A紫外可見分光光度計；TGL-15B高速離心機。

1.2 動力學吸附

稱取填料5 g于250 mL的具塞錐形瓶中，分別加入20 mg/L的NH4Cl(KH2PO4)溶液100 mL，置于氣浴恒溫振蕩器中，在25 ℃、150 r/min條件下分別振蕩0.5，1，2，4，8，24，48 h，離心(3 000 r/min)10 min 后，測定上清液中的氨氮(磷)含量。

1.3 等溫吸附

稱取填料5 g于250 mL的具塞錐形瓶中，分別加入濃度為5,10,20,50,80,100 mg/L的NH4Cl(KH2PO4)溶液100 mL，置于氣浴恒溫振蕩器中，在25 ℃、150 r/min條件下振蕩24 h，離心(3 000 r/min)10 min 后，測定上清液中的氨氮(磷)含量。

1.4 等溫解吸

經等溫吸附后的填料，用無水乙醇洗滌，離心后倒去上清液。加入 0.02 mol/L 的 CaCl2溶液20 mL，在25 ℃、150 r/min條件下振蕩 24 h，離心(3 000 r/min)10 min后，測定上清液中的氨氮(磷)含量。

1.5 擬合方法

對于恒溫條件下固體表面發生的吸附現象，常用Langmuir方程和Freundlich 方程來表示其表面的吸附量和介質中溶質平衡濃度之間的關系[13-14]，表達式如下：

q=qmKC/(1+KC)

(1)

q=kC1/n

(2)

式中q——填料對氨氮(磷)的吸附量，mg/g；

qm——填料對氨氮(磷)的飽和吸附量，mg/g；

C——吸附平衡時氨氮(磷)的濃度，mg/L；

K、k和n——均為常數。

2 結果與討論

2.1 填料對氨氮的動力學吸附特性

4種填料對氨氮的動力學吸附曲線見圖1。

圖1 填料對氨氮的動力學吸附曲線Fig.1 Kinetic adsorption curve of ammonia nitrogen by packing

由圖1可知，在0～2 h內，4種填料對氨氮的吸附量都快速增加，且吸附量由大到小依次為：細砂>粗砂>頁巖陶粒>黏土陶粒，這說明這4種填料都能在短時間內實現對氨氮的快速吸附。在2～4 h內，細砂和粗砂對氨氮的吸附速率開始降低，頁巖陶粒對氨氮的吸附量繼續快速增加，而黏土陶粒對氨氮的吸附量開始減少，這可能是振蕩使黏土陶粒前期累積吸附的氨氮釋放出來，且解吸量大于吸附量所致[15]。在4～48 h內，細砂對氨氮的吸附量先保持不變、再減小，最后增加；而粗砂對氨氮的吸附量先減小、再增加、最后減小；但總的來說，在這段時間內，細砂和粗砂對氨氮吸附量的變化很小；這說明細砂和粗砂可以在較短的時間內達到對氨氮的吸附平衡，且長時間的吸附不僅不利于它們增加對氨氮的吸附量，反而可能會降低它們對氨氮的吸附量；而頁巖陶粒對氨氮的吸附量經歷了先緩慢增加，再快速增加，最后緩慢降低；在24 h時，頁巖陶粒對氨氮的吸附量超過了粗砂，且與細砂相接近，這說明在吸附前期，頁巖陶粒對氨氮的吸附量小于細砂和粗砂，但在吸附后期有趕超它們的趨勢；而黏土陶粒對氨氮的吸附量又開始緩慢增加，但增加的吸附量較少。在0～48 h內，細砂對氨氮的吸附量始終大于粗砂，這主要是因為較小粒徑的填料具有較大的比表面積，故其對氨氮的吸附效果較好[9]；而頁巖陶粒對氨氮的吸附量始終是最小的，且小于0.06 mg/g。

2.2 填料對氨氮的等溫吸附特性

4種填料對氨氮的等溫吸附曲線見圖2。

圖2 填料對氨氮的等溫吸附曲線Fig.2 Isothermal adsorption curve of ammonia nitrogen by fillers

由圖2可知，隨著氨氮濃度的提高，4種填料對氨氮的吸附量都逐漸增加，但增加的趨勢有所不同。黏土陶粒對氨氮的吸附量一直都是緩慢增加，在氨氮濃度為100 mg/L時，其對氨氮的吸附量也沒有超過0.12 mg/g。在氨氮濃度為0～10 mg/L時，細砂和粗砂對氨氮的吸附量差別不大，但當氨氮濃度超過10 mg/L時，與粗砂相比，細砂對氨氮吸附的優勢逐漸顯現，這說明在處理低濃度氨氮污水時，細砂和粗砂的效果相差不大，而在處理較高濃度氨氮污水時，細砂對氨氮的去除率較高。在氨氮濃度為0～80 mg/L時，頁巖陶粒對氨氮的吸附量始終快速增加，當氨氮濃度超過80 mg/L時，其對氨氮的吸附量開始緩慢增加。在氨氮濃度為0～100 mg/L時，對氨氮的吸附量由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒，這說明無論是何種濃度的氨氮污水，頁巖陶粒對氨氮的去除率都是最高的，而黏土陶粒對氨氮的去除率最低，這與盧少勇的研究結果一致[8]。

4種填料對氨氮的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關系數見表1。

表1 填料對氨氮的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關系數Table 1 Isothermal adsorption equation and relevant coefficient of ammonia nitrogen fitted by Langmuir and Freundlich fillers

由表1可知，用Langmuir等溫吸附方程擬合時，細砂的擬合效果最好，黏土陶粒的擬合效果最差，4種填料對氨氮的飽和吸附量由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒；而用Freundlich等溫吸附方程擬合時，黏土陶粒的擬合效果最好，粗砂的擬合效果最差；k值越大，填料對氨氮吸附能力越強[8,16-17]，4種填料的k值由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒。

2.3 填料對氨氮的等溫解吸特性

當處理后的出水用于農灌時，對于所選的填料，不僅要對氨氮的吸附量較少，而且要對氨氮的解吸率較高，這樣才能最大限度地保留污水中的氮。4種填料對氨氮的解吸率見表2。

表2 填料對氨氮的解吸率Table 2 Ammonia nitrogen desorption rate by fillers

由表2可知，4種填料對氨氮的解吸率由大到小依次為：黏土陶粒>細砂>粗砂>頁巖陶粒。黏土陶粒、細砂和粗砂對氨氮的解吸率都>50%，說明它們主要通過物理吸附作用去除水中的氨氮，而頁巖陶粒對氨氮的解吸率<30%，說明其主要通過離子交換作用去除水中的氨氮[8]。細砂的解吸率高于粗砂，這主要是因為較小粒徑的填料具有較大的比表面積，填料之間碰撞的接觸面較大，故其解吸率較高[9]。

2.4 填料對磷的動力學吸附特性

4種填料對磷的動力學吸附曲線見圖3。

圖3 填料對磷的動力學吸附曲線Fig.3 Kinetic adsorption curve of phosphorus by fillers

由圖3可知，在0～4 h內，頁巖陶粒對磷的吸附量快速增加。在4～48 h內，頁巖陶粒對磷的吸附量先減小、后增大、再減小，但總的來說，在這段時間內，頁巖陶粒對磷吸附量的變化很小。這說明頁巖陶粒可以在較短的時間內達到對磷的吸附平衡，且長時間的吸附不僅不利于其增加對磷的吸附量，反而可能會降低其對氨氮的吸附量。在0～48 h內，黏土陶粒、細砂和粗砂對磷的吸附量總體趨勢是緩慢增加的，某些時段它們對磷的吸附量也出現了緩慢減少，但總體來看，它們對磷的吸附量很少，且隨時間變化很小，黏土陶粒對磷的最大吸附量<0.01 mg/g，細砂和粗砂對磷的最大吸附量<0.015 mg/g。在0～48 h內，4種填料對磷的吸附量由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒，但細砂和粗砂對磷的吸附量相差很小，且與黏土陶粒差別不大。

2.5 填料對磷的等溫吸附特性

4種填料對磷的等溫吸附曲線見圖4。

圖4 填料對磷的等溫吸附曲線Fig.4 Isothermal adsorption curve of phosphorus by fillers

由圖4可知，隨著磷濃度的提高，4種填料對磷的吸附量幾乎都逐漸增加，但他們增加的趨勢有所不同。在磷濃度為0～50 mg/L時，頁巖陶粒對磷的吸附量始終快速增加，在磷濃度為50～80 mg/L時，其對磷吸附的增量有所放緩，當磷濃度超過80 mg/L 時，其對磷的吸附量反而減少。隨著磷濃度的提高，黏土陶粒、細砂和粗砂對磷的吸附量都緩慢增加，但它們對磷的吸附量很少，且變化很小。在磷濃度為0～100 mg/L時，對磷的吸附量由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒，這說明無論是何種濃度的含磷污水，頁巖陶粒對磷的去除率都是最高的，而黏土陶粒對磷的去除率最低，但細砂和粗砂對磷的吸附量相差很小，且與黏土陶粒差別不大。

4種填料對磷的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關系數見表3。

表3 填料對磷的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關系數Table 3 Isothermal adsorption equation and relevant coefficient fitted by Langmuir and Freundlich for phosphorus by fillers

由表3可知，用Langmuir等溫吸附方程擬合時，頁巖陶粒的擬合效果最好，黏土陶粒的擬合效果最差，4種填料對磷的飽和吸附量由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒；而用Freundlich等溫吸附方程擬合時，黏土陶粒的擬合效果最好，粗砂的擬合效果最差；k值越大，填料對磷吸附能力越強[9,16-17]，4種填料的k值由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒。

2.6 填料對磷的等溫解吸特性

當處理后的出水用于農灌時，對于所選的填料，不僅要對磷的吸附量較少，而且要對磷的解吸率較高，這樣才能最大限度地保留污水中的磷。4種填料對磷的解吸率見表4。

表4 填料對磷的解吸率Table 4 Phosphorus desorption by fillers

由表4可知，4種填料對磷的解吸率由大到小依次為：黏土陶粒>細砂>粗砂>頁巖陶粒。4種填料對磷的解吸率都不高。細砂的解吸率高于粗砂，這主要是因為較小粒徑的填料具有較大的比表面積，填料之間碰撞的接觸面較大，故其解吸率較高[9]。

3 結論

(1)4種填料對氨氮和磷的飽和吸附量由大到小依次為：頁巖陶粒>細砂>粗砂>黏土陶粒，對氨氮和磷的解吸率由大到小依次為：黏土陶粒>細砂>粗砂>頁巖陶粒。

(2)對于人工快速滲濾系統而言，當其處理后的出水用于農灌時，為了提高其水力負荷、減少其堵塞的可能性，應該選擇黏土陶粒和粗砂作為其填料。