沸石人工湿地填料对氨氮的去除效果

陈永裕，李赫龙，卢 斌，刘昊臻，林 静

（1.中建水务环保有限公司，北京100037；2.深圳市碧园环保技术有限公司，广东 深圳518000）

人工湿地是污水处理中常用的技术。垂直流人工湿地由于占地面积相对少、污染物去除率高且不易堵塞，被广泛应用。在人工湿地中，基质中的填料是人工湿地处理污水的重要部分，对处理效果有重要影响。填料在为植物和微生物提供生长介质的同时，还能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物[1]。填料的种类、级配等会直接影响沉淀、过滤和吸附效果[2]。在人工湿地污水处理中，氨氮是一类重要的污水去除指标，为了有效提高其去除效果，众多学者对此进行了广泛研究。众多研究均表明，浮石[3]、煤渣[4]、沸石[5]、蛭石[6]等对氨氮的去除相比于其他的填料更有优势。

然而，人工湿地对氨氮的去除受填料影响外，还会受其他因素影响[7-9]，这些研究主要集中在水力负荷、温度、pH值上。在水力负荷方面，于海霞等[10]认为低水力负荷条件下更有利于氨氮的去除；李紫霞[11]认为水力负荷为0.5m3/（m2·d）时，人工湿地对污染物的去除效果较好。在pH值的影响中，赵发敏[12]认为pH值为5～7时，氨氮的去除率达到88%以上，当pH值大于7或小于5时，氨氮的去除率迅速下降；韩晓丽[13]认为进水水质偏酸性时，氨氮的去除效果会更好。而在温度方面，李维垚[14]认为水温降低会影响氨氮的去除效率，较高温度有利于氨氮的去除；胡杰军[15]认为温度对生物沸石人工湿地氨氮硝化率的影响显著，水温在25～40℃最为适宜。

不同类型的人工湿地以及人工湿地条件，对污染物有着不同的去除效果，针对特定的进水水质，选择合适的填料和运行方式至关重要。基于此，根据前人的研究，本研究选取沸石作为人工湿地填料，分别进行实验室小试和室外模拟，选取不同的水力负荷、污染负荷和运行方式，研究沸石对氨氮的去除效果。

1 材料与方法

为研究沸石对污水厂尾水中氨氮的处理效果，将沸石和普通砂石进行对比研究。本次研究中，沸石材料的特性为粒径4～10mm，吸氨值为113.30 mmol/100 g；砂石的粒径为0.25～0.5mm。

1.1 氨氮吸附特性

在两个锥形瓶中分别放入5 g的沸石和砂石，缓缓倒入配制好的浓度为5 mg/L的氨氮溶液200 mL，检测两种材质对氨氮的吸附效果。实验开始后，分别于15min、30min、1 h、3 h、6 h、1 d、3 d、7 d取5 mL水样进行氨氮浓度检测，采用纳氏试剂分光光度法检测。

1.2 水力负荷实验

搭建人工湿地小试装置实验池，实验池规格为2 m×3 m×1.8 m（长×宽×高），池子由三层填料填铺而成，分别为过滤层90 cm（A组为90 cm砂石，B组为30 cm沸石+60 cm砂石），承托层（粒径4～8 mm碎石）30 cm，透水层（粒径8～16mm碎石）30 cm。实验池表层种植风车草。实验装置每天的进水量和进水时间由自动阀门控制，污水水样来自深圳市某污水处理厂尾水，其水质标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准。为研究氨氮在相同进水水质情况下，对不同水力负荷处理效果，实验池在进水时，分别按照高负荷（2m3·m-2·d-1）、中负荷（1m3·m-2·d-1）、低负荷（0.5m3·m-2·d-1）3个阶段进行，以探究沸石填料在不同水力负荷下对氨氮的处理效果及稳定程度。

1.3 污染负荷实验

待水力负荷实验结束后，在污水处理厂尾水进入人工湿地实验池前，先加入硫酸铵将污水配置成氨氮浓度分别为80 mg/L和5 mg/L的溶液，然后进入到实验池，以探究沸石填料在不同氨氮浓度下的处理效果及稳定程度。

1.4 运行方式影响

上述实验完成后，在6个上述人工湿地实验池中研究各运行条件下沸石对氨氮的处理效果，各实验池运行状态见表1。其中，运行周期包括进水时间和间歇时间，两者的时间比为1∶2。实验开始前先进行半个月的调试运行，待实验池运行稳定后，每隔5 d分别进行一次取样，进行氨氮水质监测。

2 结果与讨论

2.1 沸石对氨氮的去除效果

沸石和砂石对氨氮的吸附效果见图1。由图1可以看出，两种材质对氨氮的吸附速率均较大，在24 h基本达到平衡。相比于砂石，沸石的去除效果更显著，168 h后，沸石对氨氮的去除率为85.5%，同期砂石只有42.3%。此时，沸石对氨氮的吸附容量为1.19 mg/g，砂石仅为0.604 mg/g。沸石是火山熔岩形成的一种表现为架状结构的铝硅酸盐矿物，具有独特的吸附性和离子交换特性，能通过阳离子交换和吸附水体中的NH4+离子，且吸附后的化合物结构稳定[16]，说明沸石适用于氨氮的去除，可作为人工湿地特殊填料强化污水中氨氮的处理。

表1 人工湿地实验装置运行方式

图1 沸石对氨氮的吸附效果

2.2 水力负荷的影响

3种水力负荷下，沸石和砂石对氨氮的处理效果见图2。实验结果表明，在去除效果上，砂石组对氨氮的去除率为35%～60%。相比于砂石，沸石组对氨氮的去除率明显较高，相同条件下氨氮去除率为70%～90%。在不同的水力负荷下，两组实验池均表现为水力负荷越低，氨氮去除效率越高，且低负荷下去除率更稳定，出水水质波动越小，其中，沸石相比于砂石更稳定。

图2 3种水力负荷氨氮去除效果

水力负荷是影响人工湿地污水处理效果及长期稳定运行的重要因素。过高的水力负荷不仅影响出水水质，而且也会缩短人工湿地的使用寿命，过低的水力负荷则降低人工湿地污水处理效率。而沸石在3种水力负荷条件下，均对氨氮有很好的去除效果，且受水力负荷影响不大，说明沸石填料适用于人工湿地氨氮的去除。

2.3 污染负荷的影响

在水力负荷均为0.5 m3/（m2·d）时，通过添加硫酸铵将尾水进水氨氮浓度调成80 mg/L和5mg/L，研究两种污染负荷下，沸石对氨氮的去除效果，结果见图3。在污染负荷为5 mg/L下，沸石对氨氮的去除效果明显，平均去除率为83.26%，最高去除率达到91.6%。随着时间的推进，沸石对氨氮的去除效果有提高的趋势，其原因可能是沸石表层微生物膜的形成强化了对氨氮的去除。与此同时，砂石对氨氮的平均去除率为50.67%，表现出不错的去除效果。

而在污染负荷为80mg/L时，沸石对氨氮的去除效果依然明显，平均去除率为90.98%，与5mg/L时相比差别不大。而此时砂石对氨氮的去除效果明显降低，研究期间平均率仅为25.22%，不仅远低于相同污染负荷下的沸石，也低于氨氮浓度为5 mg/L时的去除效果。而从稳定性来看，砂石组在80mg/L时波动明显，沸石组依旧保持稳定，其原因是砂石对NH4+的容纳有限，存在吸附与解吸附过程，而沸石在该浓度下依旧未达到饱和状态，可继续进行吸附。以上进一步说明，在高污染负荷下，沸石对氨氮的去除效果依旧很好，并且出水水质也相对稳定。

图3 不同污染负荷下沸石和砂石对氨氮的去除效果

2.4 运行方式的影响

在不同的水力负荷条件下，各进水间歇周期运行方式的氨氮去除效果见图4。在水力负荷为0.4 m3/（m2·d）时，不同间歇周期运行方式下，氨氮去除率最好的为6 h和4 h，去除率均为83.05%。在水力负荷为0.4 m3/（m2·d）时，不同间歇周期运行方式下，氨氮去除率最好的为6 h和4 h，去除率均为83.05%。在水力负荷为0.52 m3/（m2·d）时，氨氮去除率最好的为6 h和2 h，去除率分别为77.36%和73.58%。在水力负荷为0.6 m3/（m2·d）时，氨氮去除率最好的为6 h和2 h，去除率分别为70.97%和69.35%。以上情况均表明，6 h间歇周期运行下，沸石填料对氨氮的去除效果好于其他间歇周期。与此同时，氨氮去除效果较差的为连续运行和12 h间歇周期运行。

人工湿地填料中，氨氮的去除一方面利用沸石中的阳离子与废水中的NH4+进行交换以达到脱氮的目的[17]；另一方面则通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，而此过程需要消耗溶解氧，当溶解氧不足时，该过程就会受到影响。在不同水力负荷下，实验中6 h间歇周期运行效果均强于连续运行，其原因是间歇运行下，人工湿地填料在不进水时可以得到充分复氧，提高了硝化反应对氨氮的去除。6 h间歇周期运行效果强于8 h和12 h，则是由于间歇运行时，沸石中的阳离子与废水中的NH4+更容易进行充分交换以达到脱氮效果。

图4 运行方式对氨氮去除效果的影响

3 结论

沸石和砂石对氨氮的吸附容量分别为1.19mg/g和0.604mg/g。5mg/L氨氮浓度下，沸石和砂石对氨氮的吸附容量分别为1.19mg/g和0.604mg/g，砂石对氨氮的去除率为42.3%，而沸石可达到85.5%，沸石可作为人工湿地特殊填料强化污水中氨氮的处理效果。水力负荷会影响沸石对氨氮的去除，低水力负荷下的处理效果最好，出水水质最为稳定，水质去除效果大致表现为低负荷＞中负荷＞高负荷的趋势。高污染物浓度下，沸石对氨氮的处理效果依旧保持稳定；当浓度为80 mg/L时，沸石对氨氮的去除效果依然较好，平均去除率为90.98%，与5mg/L时相比差别不大。在4种运行方式下，6 h间歇周期运行时，沸石填料对氨氮的去除效果好于其他间歇周期。