氨氮與磷在三種人工濕地填料上的吸附動力學

莫文銳，黃建洪，田森林，武炳君，易 皓

（1.昆明理工大學 環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明650500； 2.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州510655；3.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州730070）

氨氮與磷在三種人工濕地填料上的吸附動力學

莫文銳1，2，黃建洪1，2，田森林1＊，武炳君3，易 皓2

（1.昆明理工大學 環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明650500； 2.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州510655；3.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州730070）

利用吸附動力學實驗研究了浮石、陶結(jié)和陶粒對氨氮和磷的吸附動力學特征.結(jié)果表明：浮石對氨氮與磷的吸附容量明顯比陶結(jié)和陶粒的大.人工濕地填料浮石和陶粒對氨氮與磷，以及陶結(jié)對氨氮的等溫吸附動力學特征均可以用準一級、準二級和Bangham模型加以描述.其中浮石對氨氮和磷以及陶結(jié)對氨氮的吸附以化學吸附反應控制為主，而陶粒對磷的吸附過程則以擴散反應控制為主.三種填料對氨氮和磷的吸附均以表面吸附為主.

濕地；填料；氨氮；磷；吸附；動力學

氨氮與磷皆為造成水體富營養(yǎng)化的主要污染物[1－2].填料是人工濕地這種污水處理系統(tǒng)的重要組分，其吸附作用可大幅提高濕地處理效果.大規(guī)模處理污水的人工濕地出于實際應用的經(jīng)濟性考慮，一般都不采用改性材料作為填料，而充分利用當?shù)刈匀毁Y源，選擇合適的填料[3－5]，對人工濕地低耗而有效地去除污水中營養(yǎng)物質(zhì)具有現(xiàn)實意義.

目前鮮見關于天然浮石和陶結(jié)作為濕地填料并吸附污水中氨氮與磷的相關研究，作者選擇了云南當?shù)亓畠r易得的天然浮石、陶結(jié)與陶粒這三種多孔礦物質(zhì)類吸附材料作為研究對象，研究其對氨氮與磷的吸附動力學特征，以期為濕地填料的選擇及工業(yè)化應用提供理論依據(jù).

1 實驗部分

1.1 材料

天然浮石取自云南騰沖火山石加工石廠，陶結(jié)與陶粒則取自云南環(huán)保陶粒廠，均經(jīng)破碎過篩而得到粒徑為8～12μm的實驗填料顆粒，顆粒在陽光下晾曬一天后裝瓶備用.SEM－EDS分析得到供試填料的表面主要元素的質(zhì)量分數(shù)如表1所示.

表1 填料表面主要元素質(zhì)量分數(shù)Table 1 Mass fraction of major elements on the surface of the substrates %

1.2 動力學實驗設計

將500mL一定濃度的自配水樣置于1 000mL具塞錐形瓶（也可是容量瓶或燒杯）中，加入一定粒徑的填料25g，在25℃下以200r·min－1的轉(zhuǎn)速分別振蕩10、20、40、60、80、100、120、140、160、180min后用注射器抽取一定體積水樣并通過濾膜過濾后測定其污染物含量并據(jù)此計算不同吸附時間的填料對污染物的吸附量.吸附量的計算如式（1）所示：

式中，qt為t時的吸附量（mg·kg－1）；ρ0與ρt分別為初始及t時溶液中污染物的質(zhì)量濃度（mg·L－1）；V是溶液體積（L）；m為填料質(zhì)量（kg）.

1.3 測定方法

氨氮與磷分別用納氏試劑法（GB 7479－1987）和鉬酸銨分光光度法（GB 11893－1989）測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 填料吸附量的時間變化

圖1是填料吸附量qt隨時間t變化的曲線.

圖1 吸附動力學曲線Fig.1 Kinetic curves for adsorption

圖1顯示，浮石對氨氮與磷的吸附容量明顯大于陶結(jié)和陶粒.浮石和陶粒對氨氮與磷以及陶結(jié)對氨氮的吸附量在吸附初期會隨時間快速上升，到了后期吸附速率會放緩，直至緩慢達到吸附平衡，達到平衡所需時間均不超過160min.而陶結(jié)對磷則由初期25min內(nèi)的少量吸附到50min后出現(xiàn)解吸量大于吸附量的現(xiàn)象，表明其總體上會向水體釋磷而無吸附效果，故不再探討其吸磷動力學特征.

2.2 氨氮吸附動力學

污染物的等溫吸附動力學特征可用準一級模型、準二級模型和Bangham公式描述，還可根據(jù)擬合出的動力學方程估算某時刻的吸附量和達到平衡吸附量所需的時間.

準一級吸附動力學模型為：

準二級吸附動力學模型為：

Bangham吸附速度公式為：

式中：qt和qe分別為t時刻和平衡時的吸附量（mg·kg－1）；t為吸附時間（min）；k1與k2分別為準一級和準二級吸附速率常數(shù)；n和k皆為Bangham公式的常數(shù).

用式（2）～（4）這三種吸附動力學模型對氨氮的吸附動力學過程進行擬合，結(jié)果見表2.

表2 動力學模型對氨氮吸附過程的吻合性Table 2 Fitness of kinetic models to NH＋4－N adsorption

由表2可知，這三種模型均能較好地描述人工濕地填料對氨氮的等溫吸附動力學特征，R2都達到了0.9以上.準二級動力學方程對浮石和陶結(jié)吸附氨氮的擬合較準一級動力學方程要稍好些，說明化學吸附機制對浮石和陶結(jié)吸附氨氮過程的控制要稍強于擴散機制的控制.而陶粒對氨氮的吸附過程則用準一級模型擬合得更好些，說明吸附過程以擴散機制控制為主.Bangham吸附速度公式能較好地描述三種填料對氨氮的等溫吸附動力學特征，說明三種填料對氨氮的吸附以表面吸附為主[6].

2.3 磷吸附動力學

用式（2）～（4）這三種吸附動力學模型對磷的吸附動力學過程進行擬合，結(jié)果見表3.

表3 動力學模型對磷吸附過程的吻合性Table 3 Fitness of kinetic models to P adsorption

由表3可知，這三種模型均能較好地描述浮石和陶粒對磷的等溫吸附動力學特征，R2都達到了0.97以上.準二級動力學方程對浮石吸附磷的擬合要好于準一級動力學方程，說明化學吸附機制對浮石吸附磷過程的控制要強于擴散機制的控制.而陶粒對磷的吸附過程則用準一級模型擬合得稍好些，說明吸附過程受擴散機制控制要稍強于受化學吸附機制控制.Bangham吸附速度公式能較好地描述浮石和陶粒對磷的等溫吸附動力學特征，說明這兩種填料對磷的吸附以表面吸附為主.

3 結(jié)論

1）浮石對氨氮與磷的吸附容量明顯大于陶結(jié)和陶粒.浮石與陶粒對氨氮與磷以及陶結(jié)對氨氮的吸附在初期吸附速率較快，后期則放緩，最后均在160min內(nèi)緩慢達到吸附平衡.

2）準一級、準二級和Bangham模型均能較好地描述人工濕地填料浮石與陶粒對氨氮與磷、陶結(jié)對氨氮的等溫吸附動力學特征.浮石吸附氨氮和磷及陶結(jié)吸附氨氮的過程均以受化學吸附機制控制為主，而陶粒吸附磷的過程以受擴散機制控制為主.三種填料對氨氮以及浮石和陶粒對磷的吸附均以表面吸附為主.

[1]肖輝煌，張盼月，曾光明，等.沸石用于去除廢水中的氨氮[J].環(huán)境保護科學，2007，33（2）：7－10.

[2]劉 波，陳玉成，王莉瑋，等.4種人工濕地填料對磷的吸附特性分析[J].環(huán)境工程學報，2010，4（1）：44－48.

[3]XU De Fu，XU Jian Ming，WU Jian Jun，et al.Studies on the phosphorus sorption capacity of substrates used in constructed wetland systems[J].Chemosphere，2006，63（2）：344－352.

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[6]王 憲，錢愛紅，邱海源，等.固定化海藻對金屬離子吸附效果的研究[J].海洋學報，2005，27（5）：126－130.

Adsorption kinetics of ammonium nitrogen and phosphorus on three kinds of artificial wetland fillers

MO Wen－rui1，2，HUANG Jian－h(huán)ong1，2，TIAN Sen－lin1＊，WU Bing－jun3，YI Hao2
（1.FacultyofEnvironmentalScienceandEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093，Yunnan，China； 2.SouthChinaInstituteofEnvironmentalSciences，MinistryofEnvironmentalProtection，Guangzhou510655，Guangdong，China； 3.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730070，Gansu，China）

The adsorption characteristics of ammonium nitrogenand phosphorus（P）on artificial wetland fillers pumice，lightweight ceramic pellet，and haydite were studied based on adsorption kinetics experiment.Results show that pumice has much higher adsorption capacity toand P than lightweight ceramic pellet and haydite.Pseudo first order model，pseudo second order model and Bangham formula can be used to describe the absorption kinetics ofand P on the three kinds of artificial wetland filers.Particularly，the adsorption ofand P by pumice and the adsorption ofby lightweight ceramic pellet are dominated by chemical adsorption，yet the adsorption of P by haydite is controlled by diffusion effect.Moreover，the adsorption ofand P on the three kinds of artificial wetland fillers is all dominated by surface adsorption.

wetland；filler；ammonium nitrogen；phosphorus；adsorption；kinetics

X 703

A

1008－1011（2012）01－0021－03

2011－09－09.

國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目（2009ZX07102－003－4）.

莫文銳（1987－），男，碩士，研究方向為污染控制化學.＊

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