5种人工湿地填料对氨氮和磷的吸附效果研究

赵占军，王玉杰，王云琦

（北京林业大学水土保持学院 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京 100083）

5种人工湿地填料对氨氮和磷的吸附效果研究

赵占军，王玉杰*，王云琦

（北京林业大学水土保持学院 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京 100083）

以沸石、圆陶粒、粗砂、页岩、砾石为试验材料，研究人工湿地填料对氨氮、TP的吸附特性。结果表明，在相同进水水质和水力负荷的运行条件下，沸石对氨氮的吸附量最大，页岩的吸附量在90 m in时达到最大值，沸石、圆陶粒、粗砂的吸附量在120 min时达到最大值，砾石的吸附量在150 min时达到最大值；砾石对TP的吸附量最大，粗砂次之，沸石的最小，页岩和粗砂的吸附量在第120 m in时达到最大，沸石和圆陶粒的吸附量在120 m in后基本稳定；温度为25℃时，沸石对氨氮的吸附效果最好，砾石对TP的吸附效果最好；溶液pH值＜7时，沸石对氨氮有较好的吸附效果；溶液pH值≥7时，有利于各填料对TP的吸附。

人工湿地；填料；吸附；氨氮；磷

人工湿地由于具有建造和运行费用低、维护简单、适用面广等特点，已被国内外广泛应用于污水的深度处理[1～3]。人工湿地对氨氮和磷的去除是填料吸附、植物吸收和微生物去除三种途径共同作用的结果[4]。填料是人工湿地的重要组成部分，对于净化污水，特别是去除氨氮、TP有着重要的作用。目前人工湿地填料去污性能比较大多依据填料对特征污染物的去除[5～7]。填料对污染物的去除主要是吸附作用，包括物理吸附和化学吸附。但是填料对氨氮、TP的吸附特性缺乏深入研究。本文选取沸石、圆陶粒、粗砂、页岩、砾石为填料。

1 人工湿地填料吸附机理

人工湿地填料对污水的吸附是指当污水流经人工湿地与多孔性固体填料接触时，污水中某一种污染物或多个污染物在固体表面处产生积蓄的现象[8]。吸附作用包括物理吸附和化学吸附，两者并不是孤立的，往往相伴发生。

1.1 物理吸附

物理吸附是吸附剂和吸附质之间通过分子间作用力（范德华力）产生的吸附。分子间力是普遍存在的，所以一种吸附剂可吸附多种吸附质。由于分子间的作用力较弱，吸附的物质也较容易被解吸出来，所以物理吸附过程是可逆的。

1.2 化学吸附

化学吸附是吸附剂和吸附质之间发生化学作用，生成化学键引起的吸附，只能形成单分子吸附层。化学吸附具有选择性，一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生化学吸附，化学吸附一般是不可逆的。

影响吸附的因素是多方面的，吸附剂性质与活性、吸附质的性质与浓度、吸附过程的操作以及吸附时间等条件，均影响吸附效果。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验材料购自北京某环保填料公司。选取的填料为：沸石、圆陶粒、砾石、页岩、粗砂。试验使用的污水来自生活污水，氨氮浓度范围是5～45 mg/L，TP的浓度范围是2～15 mg/L。

2.2 试验方案

五种填料各取50 g，投入500 m L的锥形瓶，加入500 m L一定浓度的污水，每隔10 min摇匀一次，取上清液，分析其中氨氮和TP的含量。改变吸附条件中的吸附时间、温度以及污水的pH值，由试验结果求得填料对污染物的吸附量，分析各种填料在不同吸附条件下对NH4+-N和TP吸附效果的影响。

2.3 分析方法

采用国家环境保护总局标准分析方法[9]：氨氮测定采用紫外分光光度法，TP测定采用钼锑抗分光光度法。

3 结果与分析

3.1 吸附时间对氨氮和磷吸附效果的影响

试验条件：氨氮进水浓度约为14.82 mg/L，TP的进水浓度约为5.26 mg/L，温度为25℃。不同吸附时间后，氨氮、TP的出水浓度见表1、表2；氨氮、TP的吸附量随时间的变化见图1、图2。

表1 不同吸附时间后氨氮的出水浓度Table 1 Ammonia nitrogen concentration at the different tested time

由表1可知，五种填料处理在不同吸附时间对氨氮的出水浓度具有极显著影响。吸附120 min时，沸石和圆陶粒的氨氮出水浓度达到最低，分别为1.20 mg/L和9.68 mg/L，二者与页岩、砾石、粗砂的氨氮出水浓度有显著性差异；页岩在吸附90 min时，出水浓度达到最低，为9.90 mg/L。这是由于吸附平衡所需的时间与填料的表面积及颗粒大小有关，颗粒越小、表面积越大，吸附平衡所需的时间越短。

由填料吸附前后溶液中所含物质的浓度可计算填料的吸附量，填料吸附量的计算见式1：

式中，M为吸附剂的吸附量（mg/g），C0、Ce为吸附前后溶液中氮（磷）的浓度（mg/L），V为吸附试验中所取溶液体积（m L），W为吸附剂用量（g）。

由图1可见，页岩的吸附量在90 min时达到最大值，沸石、圆陶粒、粗砂的吸附量在120 m in时达到最大值，砾石的吸附量在150 m in时达到最大值。五种填料中沸石的吸附量最大，圆陶粒次之，页岩、砾石和粗砂的吸附量最小。

由表2可知，沸石和圆陶粒的出水浓度一直在降低，但在吸附120min后降幅较小趋于平稳；页岩和粗砂的出水浓度在第120min达到最低值，之后有所回升；砾石的出水浓度不稳定，吸附150min时，TP出水浓度最小，为1.43mg/L；圆陶粒和页岩在各吸附时间的TP出水浓度差异不显著。

图1 吸附时间对各填料吸附氨氮效果的影响Figure 1 Effect of adsorption time on ammonia nitrogen adsorption by different filled substrates

表2 不同吸附时间后TP的出水浓度Table 2 TP concentration at the different tested time

由图2可见，砾石对TP的吸附量最大，粗砂渣次之，沸石的最小；粗砂在120 min时，对TP的吸附量达到最大值，而后吸附量开始下降；砾石在150 min时，对TP的吸附量达到最大值，而后吸附量开始下降；沸石、页岩和圆陶粒随着吸附时间的增加，对TP的吸附量也随之增长，到120 m in后趋于稳定。

3.2 温度对氨氮和磷吸附效果的影响

试验条件：氨氮进水浓度为13.26 mg/L，TP的进水浓度为4.38 mg/L，时间取120 min。不同温度条件下，各填料对氨氮、TP的出水浓度分别见表3，各填料对氨氮和TP的吸附容量见图3、图4。

图2 吸附时间对各填料吸附TP效果的影响Figure 2 Effect of absorption time on TP absorption by different filled substrates

由表3可知，五种填料处理在不同温度下对氨氮的出水浓度具有极显著影响。沸石在温度为25℃时的氨氮出水浓度最低，为1.13 mg/L，圆陶粒、页岩、砾石、粗砂的氨氮出水浓度依次递增；在温度为10℃和25℃时，沸石的氨氮出水浓度与圆陶粒、页岩、砾石、粗砂的氨氮出水浓度具有显著性差异。

由图3可见，温度为25℃时沸石对氨氮的吸附量最大；沸石、圆陶粒、页岩、砾石和粗砂这五种填料对氨氮的吸附量都随着温度升高而有所增加，但变化不明显，所以在10～25℃的范围内，温度对这五种填料吸附氨氮的影响不大。

由表3可知，温度为10℃和25℃时，五种填料中砾石的TP出水浓度最低，分别为1.53 mg/L和1.47 mg/L，砾石的TP出水浓度与沸石、圆陶粒、页岩具有显著性差异；砾石和粗砂的TP出水浓度与无显著性差异。

由图4可见，圆陶粒、页岩、砾石和粗砂在温度为25℃时TP的吸附量大于温度为10℃时的吸附量；沸石在温度为25℃时TP的吸附量小于温度为10℃时的吸附量，说明温度高不利于沸石对TP的吸附。

表3 不同温度下氨氮和TP的出水浓度Table 3 Ammonia nitrogen and TP concentration at different temperatures

图3 温度对各填料吸附氨氮效果的影响Figure 3 Effect of temperature on ammonia nitrogen adsorptionby different filled substrates

图4 吸附温度对各填料吸附TP效果的影响Figure 4 Effect of temperature on TP adsorption by different filled substrates

3.3 pH值对氨氮和磷吸附效果的影响

试验条件：氨氮进水浓度约为14.49 mg/L，TP的进水浓度约为4.82 mg/L，吸附时间取120 min，温度为25℃。不同pH值条件下，氨氮、TP的出水浓度见表4，各填料对氨氮和TP的吸附容量见图5、图6。

表4 不同pH值时氨氮的出水浓度Table 4 Ammonia nitrogen concentration at differ ent pH values

由表4可知，在相同的pH值条件下，沸石的氨氮出水浓度最低，与圆陶粒、页岩、砾石、粗砂的氨氮出水浓度具有显著性差异；砾石和粗砂的氨氮出水浓度较大，二者无显著性差异。

由图5可见，沸石在酸性溶液中对氨氮的吸附量变化不明显，pH值在6～7时吸附量最大，当pH值＞7时，沸石对氨氮的吸附量随着pH值的增大而迅速减少，可见中性或偏酸性环境有利于沸石对氨氮的吸附；圆陶粒对氨氮的吸附量在pH值＜7时，随着pH值的增大而增加，pH值≥7后，圆陶粒对氨氮的吸附量趋于稳定；页岩在pH值为8时对氨氮的吸附量达到最大；pH值对砾石和粗砂的氨氮吸附量影响不明显。

由表4可知，污水pH值＜7时，沸石的TP出水浓度最高，与圆陶粒、页岩、砾石、粗砂的TP出水浓度具有显著性差异；圆陶粒、页岩、砾石和粗砂四种填料的TP出水浓度间无显著性差异。pH值≥7时，砾石和粗砂的TP出水浓度分别与沸石、圆陶粒、页岩的TP出水浓度具有显著性差异；沸石、圆陶粒和页岩的TP出水浓度间无显著性差异。

图5 pH值对各填料吸附氨氮效果的影响Figure5 Effect of pH value of tested solution on ammonia nitrogen adsorption by different filled substrates

图6 pH值对各填料去除TP效果的影响Figure 6 Effect of pH value of tested solution on TP adsorption by different filled substrates

由图6可见，五种填料对TP吸附量随pH值变化的趋势基本一致，都是随着pH值的增大吸附量增加。其中砾石和粗砂变化非常明显，pH值大于7时的吸附量明显大于pH值小于7时的吸附量。可见，在碱性环境下更有利于砾石和粗砂两种填料对磷的吸附。

4 结论与讨论

本研究采用沸石、圆陶粒、页岩、粗砂、砾石为试验材料，比较不同吸附时间、温度以及pH值条件下，填料对氨氮和TP的吸附效果。结果表明，在相同进水水质，水力负荷的运行条件下，沸石对氨氮的吸附量最大，圆陶粒次之。砾石对TP的吸附量最大，粗砂次之，沸石最小。温度为25℃时，沸石对氨氮的吸附效果最好，砾石对TP的吸附效果最好；酸性环境沸石具有较好的氨氮吸附效果；碱性环境有利于填料对TP的吸附。

在今后的人工湿地填料选择上，在净化以氨氮为主要污染物的污水时，选用对氨氮吸附容量最大的沸石、圆陶粒为填料较为理想；而在净化以磷为主要污染物的水体时，选用对磷吸附量大的粗砂和砾石较为理想。

[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] 陈长太，王雪，祁继英. 国外人工湿地技术的应用及研究进展[J]. 中国给水排水，2003，19（12）：105－106.

[3] 范志峰，李平，王丽卿，等. 复合型人工湿地系统在农业面源污染水处理上的应用[J]. 上海海洋大学学报，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] 刘波，陈玉成，王莉玮，等. 4种人工湿地填料对磷的吸附特性分析[J]. 环境工程学报，2010，4（1）：44－48.

[6] 郭本华，宋志文，韩潇源. 碎石、沸石和页岩陶粒构建人工湿地的除磷效果[J]. 工业用水与废水，2005，36（2）：46－48.

[7] 柳文丽，刘波，陈玉成，等. 3种人工湿地填料对磷的动态吸附特征[J]. 四川环境，2011，30（1）：26－29.

[8] 叶振华，宋清. 化学工程手册（第17篇）[M]. 北京：化学工业出版社，1985.

[9] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法（第四版）[M]. 北京：中国环境科学出版社，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”国家林业局引进项目“城市河流生态系统森林生物工程修复技术引进”（2007-4-14）

赵占军（1980－），男，吉林长春人，博士研究生，从事河流生态修复方向研究；*通讯作者。