三种湿地填料对氨氮去除效果研究

方伟成，黄祈栋

(东莞理工学院城市学院 ， 广东 东莞 523419)

三种湿地填料对氨氮去除效果研究

方伟成，黄祈栋

(东莞理工学院城市学院，广东东莞523419)

填料是人工湿地除氮的主要组成部分，采用动态吸附试验，测定了轻质砖、陶粒和红砖三种填料对氨氮去除效果，研究表明，填料基质粒径越大，氨氮的去除率越小；对不同浓度的氨氮废水，轻质砖的去除率在80%左右，陶粒在25%左右，红砖波动较大；曝气有利于填料对氨氮的去除，其增幅依次是陶粒(20.84%)>红砖(10.62%)>轻质砖(7.71%)；填料对氨氮的解吸率大小依次为轻质砖(57.32%)>红砖(43.67%)>陶粒(24.76%)，研究显示，轻质砖适合作为人工湿地除氮填料。

人工湿地；填料；氨氮；去除率

氨氮是指水体富营养化的重要原因，当水中氨氮浓度超过0.2mg/L时[1]，会引起水体的富营养化现象，甚至产生毒性效应，危害水中的鱼类和水生生物。目前处理含氨氮废水的技术主要有吸附法、催化氧化法、活性污泥法[2-4]，但是这些方法运行成本高、工艺较复杂[5]。人工湿地是一种利用物理、化学和生物三者协同作用净化污水的生态工程技术[5]，具有净化效果好、运行简单、投资少、美化环境等优点[6]，已经广泛运用于处理生活污水、工业污水和农业污水的磷和氮等[5-7]。填料是人工湿地主要组成部分，因此，强化人工湿地系统除氮能力，关键在于人工湿地填料的选取。

目前，在人工湿地系统中，通常以碎石、砾石、蛭石、沸石、页岩、河砂、煤渣等作为人工湿地填料[7-11]，而对以建筑废物作为人工湿地填料的研究少有报道。本研究以废弃的轻质砖、陶粒和红砖等建筑废物为人工湿地填料，研究其对氨氮的吸附特性，既能为建筑废物治理含氮污水提供理论依据，又能为人工湿地填料的选取提供理论支撑和数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以轻质砖、陶粒和红砖为试验材料，将其研磨成粒径为2～12mm并烘干后备用。废水泥砖和废红砖从学校的工地上选取，陶粒购买于建筑市场上。

1.2 填料对氨氮的动态吸附试验

试验装置采用吸附柱模型(如图1)，吸附柱的内径为5cm、高度为25 cm的有机玻璃制成，分别称取各填料200g于吸附柱中，于水力负荷为2cm/d，在曝气和没曝气的条件下，对含氨氮废水进行动态吸附。

1．进水箱；2蠕动泵；3鼓风机；4吸附柱模型

1.3 基质粒径对氨氮吸附的影响

分别称取2～4.75mm(T1)、4.75～9mm(T2)和9～12mm(T3)的填料(水泥砖、陶粒和红砖)200g于吸附柱模型内，于水力负荷为2cm/d下，对50mg/L的含氨氮废水进行动态吸附后，测量其剩余氨氮浓度。

1.4 不同氨氮浓度对基质吸附的影响

分别称取200g填料于吸附柱模型内，于水力负荷为2cm/d下，分别对10mg/L、 30mg/L、50mg/L的含氨氮废水进行动态吸附后，测量其剩余氨氮浓度。

1.5 曝气的条件下基质对氨氮吸附的影响

分别称取200g填料于吸附柱模型内，于水力负荷为2cm/d和曝气强度为2L/min下，对50mg/L的含氨氮废水进行动态吸附后，测量其剩余氨氮浓度。

1.6 填料对氨氮的解吸试验

经吸附试验后的填料，用无水乙醇洗涤干净，加入0.02mol/L的CaCl2溶液，于室温、转速200r/min条件下振荡24h后离心并测定上清液氨氮浓度。

1.7 分析方法和数据处理

采用纳式试剂分光光度法测定氨氮，采用Excel2010软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 基质粒径对水中氨氮吸附效果的研究

基质粒径对氨氮的吸附起到一定的影响，一般认为，粒径越小，其比表面积就越大，就越有利于吸附行为[6]。由图2可知，相同条件下，各填料对氨氮的去除率随着粒径增大而减少，这说明了基质粒径越小，其吸附效果越好。轻质砖对氨氮的去除率随着粒径增大从75.82%下降到22.58%，陶粒的则从23.71%下降到10.83%，红砖的则从37.01%下降到3.80%，可见，粒径大小对轻质砖吸附氨氮的影响最大，其次是红砖，最小影响是陶粒。值得一提是，在相同基质粒径下，轻质砖对氨氮的去除率远远比陶粒和红砖的都要高。这说明轻质砖对氨氮的吸附能力比陶粒和红砖的都要大。

图2 基质粒径对水中氨氮吸附影响

2.2 不同氨氮浓度对基质吸附的影响

由图3所示，不同氨氮浓度对基质的吸附有着不同的影响。其中影响较大的是红砖，随着氨氮浓度的增加，其去除率从46.50%下降到37.03%，而轻质砖和陶粒的影响较小，其去除率分别基本维持在81.02%～78.80%和23.70%～26.70%之间。比较不同氨氮浓度下，各基质对氨氮的去除率，不难发现轻质砖对氨氮的去除率最大，其次是红砖，最小的是陶粒。

图3 不同氨氮浓度对基质吸附的影响

2.3 曝气的条件下基质对氨氮吸附的影响

由图4可知，在曝气的条件下各基质对氨氮的去除率均有所提高，其中陶粒提高的幅度最大，为20.84%，其次是红砖，为10.62%，最小的是轻质砖为7.71%。研究表明，曝气能够强化基质对氨氮的去除效果，一方面，曝气能起到搅拌的作用，既能促使基质与氨氮亲密接触，又起到解吸作用；另一方面，通过曝气为微生物提供氧，促使微生物的大量生长，有利于微生物对氨氮的氨化反应和同化作用[13]，从而去除水中的氨氮。由于陶粒具有比较大的比表面积，既有利于吸附，又有利于微生物的附着生长，从而提高氨氮的去除率。所以，在曝气的条件下，陶粒对氨氮的去除率远远大于红砖和轻质砖的。但是，即使在曝气的条件下，轻质砖对氨氮的去除率也是远远大于陶粒和红砖。

图4 曝气的条件下基质对氨氮吸附的影响

填料轻质砖红砖陶粒解吸率/%57.3243.6724.76

2.4 填料对氨氮的解吸效果

研究表明，填料对氨氮的吸附主要包括物理吸附和离子交换[5]。物理吸附主要是由静电力和毛细力等产生，并发生在硅铝酸结构的表面[14]，容易受外界扰动而发生解吸现象。离子交换就是填料内部的阳离子与NH4+发生化学反应[15]，主要发生在硅铝酸结构的里面，其稳定性较强，由表1 可得，轻质砖的解吸率为57.32%，大于50%，这说明轻质砖对氨氮的吸附主要是物理吸附为主，红砖的解吸率为43.67%，说明其存在物理吸附和离子交换作用，陶粒的解吸率为24.76%，说明其主要是以离子交换为主。

3 结论

(1)基质粒径对氨氮的吸附存在一定的影响，研究表明填料基质粒径越大，氨氮的去除率越小，对于轻质砖、陶粒和红砖来说，粒径处于2～4.75mm内，其氨氮的去除率最大，分别为75.82%、23.71% 和37.01%。

(2)对于不同初始浓度的含氨氮废水，轻质砖对氨氮的去除率保持在80%左右，陶粒保持在25%左右，红砖则随着氨氮浓度的增加，其去除率从46.50%下降到37.03%，说明红砖适合吸附低浓度的含氨氮废水。

(3)在曝气的条件下，陶粒对氨氮的去除率提高了20.84%，红砖提高了10.62%，轻质砖则提高了7.71%，这说明，曝气有利于填料对氨氮的去除。

(4)氨氮解吸试验表明，填料对氨氮的解吸率大小依次为轻质砖(57.32%)>红砖(43.67%)>陶粒(24.76%)，说明轻质砖对氨氮的吸附主要是物理吸附为主，红砖的则以物理吸附和离子交换共同作用，陶粒的则主要是离子交换为主。

(5)综合考虑，轻质砖对氨氮的去除率较高，适合作为人工湿地填料。

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(本文文献格式：方伟成，黄祈栋.三种湿地填料对氨氮去除效果研究[J].山东化工，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年广东高校省级重大科研项目青年创新人才类项目(NO225)；2014年东莞市高等院校、科研机构科技计划一般项目( 2014106101025)；2015年东莞理工学院城市学院青年基金项目(2015QJZ008Z)

方伟成(1981—)，广东东莞人，硕士，讲师，主要从事水污染治理与修复、固体废弃物资源化利用。