不同填料组合对污水中氮磷去除效果的研究

方媛瑗，戴国飞，杨平，代涛涛，张兰婷

(江西省水利科学研究院 江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室，江西 南昌 330029)

人工湿地处理技术以其低投资、低耗能、操作方便、运行简单在污水处理及生态修复中得到广泛应用[1-4]。填料是人工湿地的重要组成部分，从目前研究来看，人工湿地填料选择主要为多孔、比表面积大的单一填料，包括砾石、碎石、沸石、陶粒等[5-10]，而针对不同填料组合优化配比的研究则相对较少。组合填料不同的性质不仅能对不同污染物的去除进行优势互补，还可以提供更加多样的微生物生长环境，提高人工湿地整体对污染物的去除效果[11-12]，因此人工湿地组合填料的研究十分必要。

本文在对5种常用填料的研究[13]基础上选用陶粒、火山岩、沸石、轮胎颗粒4种填料进行填料的动态吸附实验，分析模拟污水下各填料对氮磷的吸附效果，并在此基础上进行不同填料组合的优化配比实验，比较不同填料组合对氮磷的去除效果差异，为组合填料在人工湿地的应用提供科学依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

陶粒、火山岩、沸石均购于河北某滤料厂，比重>1，粒径2～6 mm；轮胎颗粒,由废旧轮胎破碎而成，比重<1，过筛后粒径为2～4 mm。各填料均用清水清洗并烘干;实验用水为自配水，其中氨氮浓度为1.48～1.60 mg/L，总磷浓度为0.56 mg/L。

DR500、DR2800 型分光光度计；THZ-98 恒温振荡器；HY-6A 数显双层调速多用振荡器；DGF25012C电热鼓风干燥箱。

1.2 实验方法

1.2.1 单一填料吸附实验 分别称取陶粒、火山岩、沸石、轮胎颗粒30 g放入500 mL锥形瓶中，每个锥形瓶中加入300 mL实验用水后置于恒温摇床中，在转速125 r/min、温度23 ℃的条件下连续振荡72 h，测定4,8,12,24,48,72 h末氨氮、总磷的浓度，计算去除率。实验设置3个平行。

1.2.2 组合填料吸附实验 按表1准确称取组合填料30 g放入500 mL锥形瓶中，每个锥形瓶中加入300 mL实验用水后置于恒温摇床中，在转速125 r/min、温度23 ℃的条件下连续振荡72 h。测定4,8,12,24,48,72 h末氨氮、总磷的浓度，计算不同组合填料的去除率。实验设置3个平行。

表1 组合填料配比(质量比)Table 1 Proportions of different combinations of fillers(quality)

2 结果与讨论

2.1 单一填料对氮磷的去除效果研究

各填料对氮磷的去除效果随时间的动态变化曲线见图1。

图1 单一填料对氮磷的去除效果Fig.1 Changes of NH3-N and TP removal rate of fillers

由图1a可知，4种填料中沸石对氨氮的吸附速率较快，在12 h末即达到平衡状态，分析认为由于沸石具有多孔道含水架状结构，有良好的吸附能力和离子交换能力，因此对氨氮吸附在短时间可以达到饱和[14-15]；其余填料中，火山岩在24 h末对氨氮达到吸附平衡，陶粒和轮胎颗粒在48 h末也达到平衡。各填料在饱和吸附时对氨氮的去除率均在75%以上，其中沸石对氨氮的去除效果最好，吸附平衡时去除率为97.2%；火山岩为其次，吸附平衡时去除率为85.0%；陶粒和轮胎颗粒的去除效果相对较弱，吸附平衡时去除率分别为78.7%和76.1%。

由图1b可知，各填料对磷的吸附效果都随着时间的增加而增强直至到平衡状态，4种填料中火山岩和轮胎颗粒在24 h末达到吸附平衡，陶粒和沸石在48 h末也达到平衡。各填料在饱和吸附时对磷的去除效果差异较大，其中轮胎颗粒对磷的去除效果最好，吸附平衡时去除率为98.9%，分析认为轮胎颗粒含有锌、钙、铜等金属氧化物，溶于水中形成具有凝聚作用的聚合物，因此轮胎颗粒对磷的去除效果明显[16]；其余填料对磷的去除效果相对较弱，平衡时陶粒、沸石、火山岩对磷的去除率分别为66.4%，50.0%，43.9%。

各填料吸附达到平衡时对氮磷的吸附量见表2。

表2 各填料吸附平衡时对氮磷的吸附量Table 2 Adsorption capacity of nitrogen and phosphorus at equilibrium of fillers

由表2可知，在氨氮浓度为1.60 mg/L时，各填料的吸附量大小排序为沸石>火山岩>陶粒>轮胎颗粒，其中沸石对氨氮的吸附量为轮胎颗粒吸附量的1.28倍；在磷浓度为0.55 mg/L时，各填料的吸附量大小排序为轮胎颗粒>陶粒>火山岩>沸石，其中轮胎颗粒对磷的吸附量为沸石吸附量的1.98倍。由此可得，在处理模拟污水中，沸石对氨氮的去除效果较好，轮胎颗粒对磷的去除效果较好。

2.2 组合填料对氮磷的去除效果研究

根据单一填料的实验结果，综合考虑几种填料的吸附能力、性质差异和使用成本等因素，对不同填料的组合进行优化配比。各组合填料对氮磷的去除效果随时间的动态变化曲线见图2。

图2 组合填料对氮磷的去除效果Fig.2 Changes of NH3-N and TP removal rate of combined fillers

由图2a可知，不同填料组合中，含有沸石的组合填料对氨氮的吸附速率相对较快，在24 h末即达到了吸附平衡，不含沸石的组合填料则在48 h末达到平衡状态，由此可见沸石的存在加快了组合填料氨氮的吸附速率。不同组合填料中，含有沸石的组合填料在平衡时去除率要高于不含沸石的组合填料，由此表明沸石的添加也增强了组合填料对氮的去除效果。整体上看，组合填料对氨氮的去除效果整体相差不大，平衡时去除率均达到80%以上。组合填料按去除率大小排序依次为陶粒∶火山岩∶沸石∶轮胎颗粒=1∶1∶1∶1(92.6%)、陶粒∶火山岩∶沸石=2∶1∶1(89.9%)、陶粒∶火山岩∶轮胎颗粒=2∶1∶1(86.5%)、陶粒∶火山岩=1∶1(83.8%)。

由图2b可知，不同填料组合对磷的去除效果都随着时间的增加而不断增强，直至48 h末达到平衡状态。几组填料中，将陶粒∶火山岩=1∶1的组合填料与陶粒∶火山岩∶轮胎颗粒=2∶1∶1的组合填料对比发现，轮胎颗粒地加入极大地增强了组合填料对磷的去除作用，平衡时前者对磷的去除率为50.5%，后者去除率则达到95.0%；同样的，将陶粒∶火山岩∶沸石=2∶1∶1组合填料与陶粒∶火山岩∶沸石∶轮胎颗粒=1∶1∶1∶1组合填料对比也发现，后者对磷的去除效果明显，平衡时去除率为96.1%，而前者去除率仅为37.3%。由此看来，轮胎颗粒的添加可使得组合填料增强对磷的去除效果。

不同填料的组合吸附平衡时对氮磷的吸附量见表3。

表3 组合填料吸附平衡时对氮磷的吸附量Table 3 Adsorption capacity of nitrogen and phosphorus at equilibrium of combined fillers

由表3可知，当组合填料中含有沸石时，平衡时对氨氮的吸附量均超过13 mg/kg；反之，当组合填料中不含沸石时，平衡时对氨氮的吸附量均<13 mg/kg，这与前面单一填料实验中沸石对氨氮的吸附能力表现一致。同样的，当组合填料中含有轮胎颗粒时，平衡时对磷的吸附量均达到5 mg/kg以上；而组合填料中不含轮胎颗粒时，平衡时对磷的吸附量均<3 mg/kg，仅为含磷组合填料吸附量的50%左右。由表中数据对比可知，不同填料的组合中，当陶粒∶火山岩∶沸石∶轮胎颗粒=1∶1∶1∶1时对氮磷的吸附效果最佳，平衡时对氨氮的吸附量为13.70 mg/kg，对磷的吸附量为5.36 mg/kg。

3 结论

(1)4种填料中，沸石对氨氮的去除效果较好，吸附平衡时去除率为97.2%，吸附量为15.06 mg/kg；轮胎颗粒对磷的去除效果较好，吸附平衡时去除率为98.9%，吸附量为5.44 mg/kg。

(2)不同填料组合中，当陶粒∶火山岩∶沸石∶轮胎颗粒=1∶1∶1∶1时对氮磷的去除效果较好，吸附平衡时对氨氮的去除率为92.6%，吸附量为13.70 mg/kg；对磷的去除率为96.1%，吸附量为5.36 mg/kg。