湖泊底泥对氮磷的吸附试验研究

夏婷婷

(吉林建筑大学城建学院，吉林长春 130111)



湖泊底泥对氮磷的吸附试验研究

夏婷婷

(吉林建筑大学城建学院，吉林长春 130111)

本文以长春市景观水体——南湖为研究对象，对南湖底泥在不同吸附时间、不同初始氮磷浓度下对氮磷的吸附动力学、吸附热力学进行研究，为预防和治理北方水体富营养化提供理论依据。研究结果表明：底泥在震荡12h时对氨氮吸附量达最大值，在55h时对磷的吸附含量达最大值；当初始氨氮浓度为17.9mg·L-1时，荷花池底泥氨氮最大吸附量为437.54mg·kg-1；当初始氨氮浓度为18.45mg·L-1时，南湖大桥底泥氮最大吸附量为520.89mg·kg-1；当初始磷浓度为4mg·L-1时，荷花池底泥磷最大吸附量为206.69mg·kg-1，南湖大桥底泥磷最大吸附量为193.93 mg·kg-1。

氮磷；吸附；动力学；热力学

淡水水体中，氮磷是藻类生长的主要限制性因子[1]。在控制向水体排放氮磷后，水体仍然可能发生富营养化，是因为底泥中含有大量的营养盐。底泥是水体中重要的营养盐二次污染源，在厌氧环境下，通常会产生氮磷释放现象[2]。为了杜绝底泥向上覆水中释放氮磷，对底泥进行清挖是一种有效的措施[3-4]。通过底泥氮磷吸附动力学和吸附热力学实验确定底泥对氮磷的最大吸附量和最佳吸附浓度，进而采取措施使上覆水中的氮磷最大量地转移到底泥中，实现通过清挖底泥最大量去除氮磷的目的。

1 底泥对氮磷的吸附实验

1.1 氨氮的吸附动力学实验

1.1.1 实验方案

取若干50mL的离心管，分别加30mL 4 mg·L-1的氨氮溶液，加0.3g(精确到0.001g)沉积物干样，在(25±1)℃下，恒温振荡3min、6min、12min、30min、1h、2h、4h、6h、12h。经5000 r·min-1离心5min，过0.45μm微孔滤膜，采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮含量。在相同条件下做2个平行实验。另取相同数量、相同规格的离心管，加入30mL的去离子水，其他步骤同上。

1.1.2 吸附时间对氨氮吸附含量的影响

图1 氨氮吸附动力学曲线

底泥对氨氮的吸附动力学曲线如图1所示。从图1可以看出，随着吸附时间的变化，底泥对氨氮的吸附含量是不断变化的，氨氮在固——液体系中不停地进行吸附——解吸过程。在初始阶段，底泥中的氨氮吸附量随着时间的延长不断较少，即起始点吸附一定量后进行释放过程，当下降到一定程度后，底泥中氨氮含量低于溶液中氨氮浓度，底泥开始进行吸附过程，吸附含量不断上升，上升到一定程度后，底泥中的氨氮含量高于溶液中氨氮含量，底泥又开始释放氨氮，吸附量再次下降，当底泥氨氮含量再一次低于溶液中氨氮含量时，底泥又开始进行吸附过程，随着时间的延长，曲线变化趋于平缓。在实验时间内，底泥虽没有达到吸附平衡，但是可以看出在12h时底泥对氨氮吸附量最大，已接近吸附平衡点。南湖大桥底泥底泥最大氨氮吸附含量高于荷花池底泥，即底泥颗粒越小，有机质含量越高，对氨氮的吸附含量越小。从图1曲线可以看出，氨氮吸附含量在第一次达到波峰值时荷花池底泥低于南湖大桥底泥，随后进行的释放表明荷花池底泥释放量小于南湖大桥底泥，这与已有的磷释放机理颗粒越小，越不利于磷的释放相似。粒径越小，越不利于释放，相反越有利于吸附，但对本实验中氨氮的吸附结果却不同，具体原因有待于进一步研究。

1.2 氨氮的吸附热力学实验

1.2.1 实验方案

取若干50mL的离心管，分别加30mL 0mg·L-1、0.1mg·L-1、0.2mg·L-1、0.5mg·L-1、1mg·L-1、1.4mg·L-1、2mg·L-1、5mg·L-1、10mg·L-1、15mg·L-1、20mg·L-1的氨氮溶液，加0.3g(精确到0.001g)沉积物干样，在(25±1)℃下，恒温振荡12h。经5000r·min-1离心5min，过0.45μm微孔滤膜，采用标准方法测定氨氮含量。在相同条件下做2个平行实验。

1.2.2 初始氨氮溶液浓度对氨氮吸附含量的影响

底泥对氨氮的吸附热力学曲线如图2所示。

图2 氨氮吸附热力学曲线

从图2可以看出，随着初始氨氮浓度增大，底泥氨氮吸附含量不断增大，且在同一浓度氨氮溶液下，荷花池底泥对氨氮的吸附含量低于南湖大桥底泥对氨氮的吸附含量；当初始氨氮浓度大于16mg·L-1时，底泥吸附含量变化趋于平缓。

在模拟实验所设定的上覆水氨氮浓度不大于10mg·L-1时，沉积物对氨氮的吸附呈线性特征，且沉积物对氨氮的吸附符合方程:Q=K*·C+q。式中：Q(mg·kg-1)为单位质量的干沉积物对氨氮的吸附量；K*(L·kg-1)为回归线斜率常数；C(mg·L-1)为上覆水中氨氮的平衡浓度；q(mg·kg-1)为单位质量干沉积物中固定态氨氮的含量。荷花池底泥氨氮吸附方程为Q=38.234C-29.505；南湖大桥底泥氨氮吸附方程为Q=36.569C-8.957。

当模拟上覆水氨氮浓度大于10mg·L-1时，沉积物对氨氮的吸附呈抛物线特征，荷花池底泥氨氮吸附方程为Q=-1.3302C2+47.63C+11.328，当初始氨氮浓度为17.9 mg·L-1时，底泥氮吸附量达到最大值，为437.54mg·kg-1。南湖大桥底泥氨氮吸附方程Q=-2.2778C2+84.034C-254.48，当初始氨氮浓度为18.45mg·L-1时，底泥氮吸附量达到最大值，为520.89mg·kg-1。

荷花池底泥最大氨氮吸附含量低于南湖大桥底泥的原因：(1)荷花池底泥本底氨氮含量大于南湖大桥底泥，颗粒表面可吸附氨氮的空白点位较南湖大桥底泥少；(2)荷花池底泥有机质含量高，有机质可能控制着沉积物对氨氮的吸附行为。Boatman等[5]研究也发现在富含有机质的沉积物中，有机质或有机——无机复合体控制着沉积物对氨氮的吸附，这与本文作者的研究结果相吻合。

1.3 磷的吸附动力学实验

1.3.1 实验方案

取若干50mL的离心管，分别加入30mL 1mg·L-1的磷酸盐溶液，加0.3g(精确到0.001g)沉积物干样，在(25±1)℃下，恒温振荡6min、15min、30min、1h、2h、5h、10h、24h、48h、72h。经5000 r·min-1离心5min，过0.45μm微孔滤膜，采用标准方法测定磷酸盐含量。在相同条件下做3个平行实验。另取相同数量、相同规格的离心管，加入30mL的去离子水，其他步骤同上，得到修复的吸附动力学曲线。

1.3.2 吸附时间对磷吸附含量的影响

底泥对磷的吸附动力学曲线如图3所示。

图3 磷吸附动力学曲线

从图3可以看出，随着时间的变化，底泥磷吸附含量不断变化。在初始阶段，吸附含量随时间变化成波动趋势，震荡2h后，随震荡时间延长，磷吸附含量逐渐增大。在本实验中，当吸附时间达到48h时，吸附含量开始趋于平衡，在50h时吸附含量达到最大值。荷花池底泥磷最大吸附含量高于南湖大桥底泥磷最大吸附含量，这说明颗粒物的粒径越小，对底泥中磷的吸附性能越强，即吸附含量越大。腐殖质能和铁、铝形成有机无机复合体，提供了重要的无机磷吸附点位，从而增强了对磷的吸附。

1.4 氮磷吸附热力学实验

1.4.1 实验方案

取若干50mL的离心管，分别加入30mL 0mg·L-1、0.02mg·L-1、0.05mg·L-1、0.1mg·L-1、0.2mg·L-1、0.5mg·L-1、0.8mg·L-1、1mg·L-1、2mg·L-1、4mg·L-1、8mg·L-1、12mg·L-1磷酸盐溶液，加0.3g(精确到0.001g)沉积物干样，在(25±1)℃下，恒温振荡48h、72h。经5000r·min-1离心5 min，过0.45μm微孔滤膜，采用标准方法测定磷酸盐含量。在相同条件下做2个平行实验。

1.4.2 初始磷溶液浓度对磷吸附含量的影响

图4 磷吸附热力学曲线

底泥对磷的吸附热力学曲线如图4所示。从图4可以看出，随着初始磷浓度增大，底泥磷吸附含量不断增大。在模拟实验所设定的上覆水磷浓度不大于4mg·L-1时，沉积物对磷的吸附呈线性特征。荷花池底泥磷吸附方程为Q=52.92C+1.857；南湖大桥底泥磷吸附方程为Q=50.06C-10.33。

当模拟上覆水磷浓度大于4mg·L-1时，沉积物对磷的吸附呈抛物线特征，荷花池底泥磷吸附方程为Q=0.314C2-5.186C+222.4，当初始磷浓度为4mg·L-1时，底泥磷吸附量达到最大值，为206.69mg·kg-1。南湖大桥底泥磷吸附方程Q=0.037C2-0.978C+197.2，当初始磷浓度为4mg·L-1时，底泥磷吸附量达到最大值，为193.93 mg·kg-1。

在同一浓度磷溶液下，荷花池底泥对磷吸附含量高于南湖大桥底泥对磷吸附含量，说明底泥颗粒越小，对磷的吸附含量越大，吸附机理同磷吸附动力学。

2 结论

本文对长春南湖荷花池和南湖大桥底泥对氮磷的吸附能力进行了研究，得到了如下的结论：

(1)通过底泥氮磷吸附动力学实验可知，在12 h时底泥对氨氮吸附量最大，并接近吸附平衡点；当吸附时间达到48h时，磷吸附含量开始趋于平衡，在55 h时吸附含量均达到最大值。

(2)通过底泥氮吸附热力学实验可知，在模拟实验上覆水氨氮浓度不大于10mg·L-1时，底泥对氨氮的吸附呈线性特征。当模拟上覆水氨氮浓度大于10mg·L-1时，底泥对氨氮的吸附呈抛物线特征。当初始氨氮浓度为17.9mg·L-1时，荷花池底泥氮吸附量达到最大值，为437.54mg·kg-1。当初始氨氮浓度为18.45mg·L-1时，南湖大桥底泥氮吸附量达到最大值，为520.89mg·kg-1。

(3)通过底泥磷吸附热力学实验可知，在模拟实验所设定的上覆水磷浓度不大于4mg·L-1时，沉积物对磷的吸附呈线性特征。当模拟上覆水磷浓度大于4mg·L-1时，沉积物对磷的吸附呈抛物线特征。当初始磷浓度为4mg·L-1时，荷花池底泥磷吸附量达到最大值，为206.69mg·kg-1；南湖大桥底泥磷吸附量也达到最大值，为193.93mg·kg-1。

[1]武燕杰,万红友,阐灵佳.湖泊富营养化的生物修复及其展望[J].环保科技,2008,14(1):45-48.

[2]王淑芳.湖泊富营养化防治研究与展望[J].环境科技,2005,8(4):54-56.

[3]王鹏.富营养化湖泊营养盐的来源及治理[J].水资源保护,2004(2):9-13.

[4]徐锐贤,王才,冯江等.长春南湖富营养化与生态治理[M].长春:吉林科学出版社,1999.

[5]Boatman C D,Murray J W,Modeling Exchangeable NH4+Adsorption in Marine Sediments: Process and Controls of Adsorption[J].Limnology and Oceanography,1984(27):99-110.

Experimental Study on Adsorption of Nitrogen and Phosphorus in Lake Sediments

XIA Ting-ting

(The City College of Jilin Jianzhu University, Changchun Jilin 130111,China)

The paper takes Changchun landscape water——South Lake as the object, under different adsorption time,different initial concentration of nitrogen and phosphorus，which studies the adsorption kinetics,adsorption thermodynamics of nitrogen and phosphorus in South Lake Sediment, in order to prevent and control the rich nutrition of north water，and provide a theoretical basis. The results show that：the adsorption capacity of ammonia nitrogen reaches the maximum when the sediment is shaken 12h, and the adsorption capacity of phosphorus reaches the maximum at 55h; When the initial ammonia nitrogen concentration is 17.9 mg·L-1, the most adsorption capacity of sediment in Lotus Pond is 437.54 mg·L-1, while the initial ammonia nitrogen concentration was 18.45 mg·L-1, the most adsorption capacity of sediment in South Lake Bridge is 520.89 mg·L-1; When the initial phosphorus concentration is 4 mg·L-1, the most adsorption capacity of phosphorus in the sediments of Lotus Pond is 206.69 mg·L-1, and the most phosphorus adsorption capacity of South Lake bridge is 193.93 mg·L-1.

nitrogen and phosphorus; adsorption; kinetics; thermodynamics

2015-08-04

夏婷婷(1988- )，女，黑龙江克山人，吉林建筑大学城建学院助教，硕士，从事环境监测、环境影响评价、污染防治研究。

X524

A

2095-7602(2015)10-0054-04