4种不同填料对氮磷吸附效果的实验研究

耿 雪，刘桦聪，秦红烨

（天津大学仁爱学院，天津 301636）

4种不同填料对氮磷吸附效果的实验研究

耿 雪，刘桦聪，秦红烨

（天津大学仁爱学院，天津 301636）

选择沸石、无烟煤、麦饭石和钢渣作为示范工程的备选填料，通过吸附性能实验筛选除氮磷效果较好的两种填料。静态吸附结果表明4种填料都可用Freundlish 和 Langmuir 吸附等温方程拟合，沸石对氮的吸附量最大为2.56g/kg，无烟煤对磷的吸附量最大为1.59g/kg。动态吸附结果表明：沸石和麦饭石对氮的吸附效果较好；无烟煤对磷的吸附效果最好；其它3种填料除磷效果次于无烟煤。最终选择沸石与无烟煤作为示范工程的组合填料。

填料；雨水径流；吸附

生活污水、工业废水、农田面源污染使水体环境受到严重破坏，排入湖泊、河流造成氮磷含量超标，引发水体富营养化。

全国84个代表性湖泊约有52%的湖泊呈富营养状态，48%的湖泊为中营养状态，富营养化状况十分严重［1］，因此研究水体脱氮除磷显得迫切而重要。传统的化学法除氮磷费用高且产生大量污泥，某些生物法也存在工艺复杂、运行成本高、去除效率差等问题［2］。

人工湿地技术由于其生态性和运行成本低等特点，成为除氮磷的研究热点，其中填料起主要作用，通过填料的过滤、吸附、沉淀、微生物降解以及植物和藻类吸收等多种途径共同完成。所以选择湿地填料时，需对其吸附氮磷的性能进行实验研究。

天然填料是目前应用最广泛的填料，但工业废料作为湿地填料可充分发挥资源的再利用潜力，与天然填料组合，可达到较好的处理效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料：沸石、无烟煤、麦饭石、钢渣，取自巩义市恒鑫填料厂，粒径2mm，试验用水为自配水。

试验仪器与方法：紫外-可见分光光度计（752 系列）、电子分析天平（EL104）、低速离心机（L535R-1）、恒温振荡箱（HZQ-Q）等。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法。

1.2 实验方法

（1）填料对氮磷的等温吸附。配制浓度为5、10、20、40、60、80、100mg/L 的 NH4Cl（KH2PO4）溶液于250ml 的锥形瓶中，放入10g填料，25℃恒温振荡24h，振荡完毕后在3000r/min下离心5min，取上清液测定氮磷浓度，每种填料设3组平行实验。

（2）单一水质的吸附动力学实验。称取10g填料于一定浓度的NH4Cl（KH2PO4）溶液，25℃恒温振荡1、3、5、10、20、30、50、70、130、190、250min后取样，测定吸光度，每种填料设3组平行实验。

（3）混合水质的吸附动力学实验。配制含有一定浓度的KNO3、KH2PO4、NH4Cl的混合溶液于锥形瓶中，总磷、氨氮、总氮浓度分别为 4mg/ L、 1.5mg/L、 6mg/ L，取10g填料于锥形瓶中，恒温25℃振荡5、10、20、40、60min后取样，测定吸光度，每种填料设3组平行实验。

2 结果与讨论

2.1 填料对氮磷的等温吸附拟合曲线

4种填料对氮磷的吸附量均随磷溶液初始浓度增加而增大，使用Langmuir和Freundlich方程拟合等温吸附曲线，相关参数见表1、2。

表1 4种滤料氮吸附量曲线拟合相关系数

表2 4种滤料磷吸附量曲线拟合相关系数

式中：Q为吸附平衡时填料的吸附量，mg/kg；Ce为溶液平衡质量浓度，mg/L；b为理论饱和吸附量，g/kg；a、c、d均为常数。

由相关系数R2>0.9可知，Langmuir和Freundlich都能较好描述4种填料对氮磷的吸附，无烟煤、麦饭石、钢渣使用前者的拟合度较高，沸石使用后者的拟合度较高。沸石对氮的理论吸附量最大，为2.56g/kg，这与沸石自身的结构特点以及含有较多可以与水中铵离子交换的阳离子有关；其次是麦饭石为1.75g/kg；无烟煤和钢渣较小，分别为1.30和 1.08g/kg。由于无烟煤中含有较多金属离子可以与水中磷酸根发生沉淀反应，无烟煤对磷的理论吸附量最大，为1.59g/kg；沸石次之，为1.33g/kg；麦饭石和钢渣最小，在0.90mg/kg左右。

2.2 单一水质动力学吸附

滤料整个的吸附过程分为快、中、慢三个阶段，分别对应着不同的吸附位点，对吸附过程阶段速率有着不同的影响［3］。如图1所示，沸石和麦饭石随着吸附时间延长，对氮的去除率增加达到85%以上，且沸石达到吸附平衡的时间最短吸附速度最快，吸附量为91.90mg/kg。无烟煤在120min时溶液中氮的溶度反而增加，可能是吸附在颗粒上的氮重新释放到溶液中，吸附时间延长利于无烟煤对氮的吸附。钢渣中存在易溶离子对高价态的金属性离子吸附能力强，对铵根离子吸附效果较差。使用X荧光光谱仪（XRF）对实验所用4种填料进行检测，其中麦饭石含54%的SiO2和17%的Al2O3，沸石含58%的SiO2和12%的Al2O3，此类硅铝氧化胶体成分会提供巨大的比表面积。但相比于沸石，麦饭石引起不具有沸石的晶状体结构及静电场力，可能在单位时间内的吸附量比沸石少。

如图2所示，无烟煤对磷的吸附效果明显最好，在5min内去除率即到达92%，浓度已降至 0.33mg/L，吸附量已达到 51.75mg/kg，无烟煤有直径与分子相当的炭分子超微孔，且分布均一，物理化学吸附作用和化学反应作用强，可作为优质的除磷滤料。另外3种填料浓度变化趋势一致，0～50min 内吸附速率较快，50min之后，变化逐渐趋向平缓，去除率为24%～55%，吸附量基本饱和。

图1 4种填料对氮的去除效果

图2 4种填料对磷的去除效果

2.3 混合水质动力吸附

图3 4种填料在混合水质中的吸附效果

4种填料在混合水质中对总氮、总磷、氨氮的吸附效果如图3所示，结果显示：沸石和麦饭石对氮的去除效果较其它两种填料好，总氮达到吸附平衡的时间为20min，去除率分别为27%、10%，氨氮去除率分别为89%、 36%，其中沸石达到吸附平衡的时间较短为10分钟，麦饭石为50min；无烟煤对磷的吸附量最大吸附速度最快，达到吸附平衡时间为5min，去除率为66%，其它3种填料对磷的去除效果相差不大。进一步验证了单一水质动力吸附的结果。

3 结论

（1）通过静态吸附实验，结果表明4种填料对氮的吸附量排序为沸石（2.56g/kg）＞麦饭石（1.75g/kg）＞无烟煤（1.30g/kg）＞钢渣（1.08g/kg）；填料对磷的理论最大吸附量为无烟煤（1.59g/kg）＞沸石（1.33g/kg）>麦饭石（0.89mg/kg）＞钢渣（0.86g/kg）。

（2）单一水质和混合水质的动态试验结果显示：沸石和麦饭石对氮的吸附速度较快、去除效率较高，其中沸石效果最好；无烟煤对磷的吸附效果明显优于其它3种填料，单一水质5min即达到吸附平衡去除效率92%，混合水质5min达到吸附平衡，由于吸附少量总氮，去除效率为66%。

（3）4种填料作为示范工程备选填料时，可选择沸石与无烟煤组合使用，氮磷的去除效果将优于单一填料，填料的级配与比例是影响污染物去除率的重要因素［4］，可再进行小试及中试实验确定填料的装填方式。

［1］田永杰，唐志坚，李世斌.我国湖泊富营养化的现状和治理对策［J］.环境科学与管理，2006，31（5）：119-121.

［2］郭迎庆，张玉先.人工湿地生态系统脱氮除磷机理及研究进展［J］.给水排水，2009，35（S1）：114-117.

［3］赵桂瑜，周琪，秦琴.几种人工湿地基质对磷素的吸附作用研究［J］.中国环境学报，2006，29（6）：211-214.

［4］张腾，周君，李丰，等.用于人工湿地污水处理的复合填料的研究进展［J］.科学情报开发与经济，2013，23（2）：156-160.

X703

A

1671-3818（2016）10-0003-02

环境保护部水体污染控制与治理科技重大专项“海河干流水环境质量改善关键技术与综合示范”（2014ZX07203009）。