湖泊底泥對(duì)氮磷的吸附試驗(yàn)研究

夏婷婷

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林長春 130111)

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湖泊底泥對(duì)氮磷的吸附試驗(yàn)研究

夏婷婷

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林長春 130111)

本文以長春市景觀水體——南湖為研究對(duì)象，對(duì)南湖底泥在不同吸附時(shí)間、不同初始氮磷濃度下對(duì)氮磷的吸附動(dòng)力學(xué)、吸附熱力學(xué)進(jìn)行研究，為預(yù)防和治理北方水體富營養(yǎng)化提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：底泥在震蕩12h時(shí)對(duì)氨氮吸附量達(dá)最大值，在55h時(shí)對(duì)磷的吸附含量達(dá)最大值；當(dāng)初始氨氮濃度為17.9mg·L-1時(shí)，荷花池底泥氨氮最大吸附量為437.54mg·kg-1；當(dāng)初始氨氮濃度為18.45mg·L-1時(shí)，南湖大橋底泥氮最大吸附量為520.89mg·kg-1；當(dāng)初始磷濃度為4mg·L-1時(shí)，荷花池底泥磷最大吸附量為206.69mg·kg-1，南湖大橋底泥磷最大吸附量為193.93 mg·kg-1。

氮磷；吸附；動(dòng)力學(xué)；熱力學(xué)

淡水水體中，氮磷是藻類生長的主要限制性因子[1]。在控制向水體排放氮磷后，水體仍然可能發(fā)生富營養(yǎng)化，是因?yàn)榈啄嘀泻写罅康臓I養(yǎng)鹽。底泥是水體中重要的營養(yǎng)鹽二次污染源，在厭氧環(huán)境下，通常會(huì)產(chǎn)生氮磷釋放現(xiàn)象[2]。為了杜絕底泥向上覆水中釋放氮磷，對(duì)底泥進(jìn)行清挖是一種有效的措施[3-4]。通過底泥氮磷吸附動(dòng)力學(xué)和吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定底泥對(duì)氮磷的最大吸附量和最佳吸附濃度，進(jìn)而采取措施使上覆水中的氮磷最大量地轉(zhuǎn)移到底泥中，實(shí)現(xiàn)通過清挖底泥最大量去除氮磷的目的。

1 底泥對(duì)氮磷的吸附實(shí)驗(yàn)

1.1 氨氮的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)方案

取若干50mL的離心管，分別加30mL 4 mg·L-1的氨氮溶液，加0.3g(精確到0.001g)沉積物干樣，在(25±1)℃下，恒溫振蕩3min、6min、12min、30min、1h、2h、4h、6h、12h。經(jīng)5000 r·min-1離心5min，過0.45μm微孔濾膜，采用納氏試劑分光光度法測定氨氮含量。在相同條件下做2個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。另取相同數(shù)量、相同規(guī)格的離心管，加入30mL的去離子水，其他步驟同上。

1.1.2 吸附時(shí)間對(duì)氨氮吸附含量的影響

圖1 氨氮吸附動(dòng)力學(xué)曲線

底泥對(duì)氨氮的吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖1所示。從圖1可以看出，隨著吸附時(shí)間的變化，底泥對(duì)氨氮的吸附含量是不斷變化的，氨氮在固——液體系中不停地進(jìn)行吸附——解吸過程。在初始階段，底泥中的氨氮吸附量隨著時(shí)間的延長不斷較少，即起始點(diǎn)吸附一定量后進(jìn)行釋放過程，當(dāng)下降到一定程度后，底泥中氨氮含量低于溶液中氨氮濃度，底泥開始進(jìn)行吸附過程，吸附含量不斷上升，上升到一定程度后，底泥中的氨氮含量高于溶液中氨氮含量，底泥又開始釋放氨氮，吸附量再次下降，當(dāng)?shù)啄喟钡吭僖淮蔚陀谌芤褐邪钡繒r(shí)，底泥又開始進(jìn)行吸附過程，隨著時(shí)間的延長，曲線變化趨于平緩。在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，底泥雖沒有達(dá)到吸附平衡，但是可以看出在12h時(shí)底泥對(duì)氨氮吸附量最大，已接近吸附平衡點(diǎn)。南湖大橋底泥底泥最大氨氮吸附含量高于荷花池底泥，即底泥顆粒越小，有機(jī)質(zhì)含量越高，對(duì)氨氮的吸附含量越小。從圖1曲線可以看出，氨氮吸附含量在第一次達(dá)到波峰值時(shí)荷花池底泥低于南湖大橋底泥，隨后進(jìn)行的釋放表明荷花池底泥釋放量小于南湖大橋底泥，這與已有的磷釋放機(jī)理顆粒越小，越不利于磷的釋放相似。粒徑越小，越不利于釋放，相反越有利于吸附，但對(duì)本實(shí)驗(yàn)中氨氮的吸附結(jié)果卻不同，具體原因有待于進(jìn)一步研究。

1.2 氨氮的吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

取若干50mL的離心管，分別加30mL 0mg·L-1、0.1mg·L-1、0.2mg·L-1、0.5mg·L-1、1mg·L-1、1.4mg·L-1、2mg·L-1、5mg·L-1、10mg·L-1、15mg·L-1、20mg·L-1的氨氮溶液，加0.3g(精確到0.001g)沉積物干樣，在(25±1)℃下，恒溫振蕩12h。經(jīng)5000r·min-1離心5min，過0.45μm微孔濾膜，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定氨氮含量。在相同條件下做2個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 初始氨氮溶液濃度對(duì)氨氮吸附含量的影響

底泥對(duì)氨氮的吸附熱力學(xué)曲線如圖2所示。

圖2 氨氮吸附熱力學(xué)曲線

從圖2可以看出，隨著初始氨氮濃度增大，底泥氨氮吸附含量不斷增大，且在同一濃度氨氮溶液下，荷花池底泥對(duì)氨氮的吸附含量低于南湖大橋底泥對(duì)氨氮的吸附含量；當(dāng)初始氨氮濃度大于16mg·L-1時(shí)，底泥吸附含量變化趨于平緩。

在模擬實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的上覆水氨氮濃度不大于10mg·L-1時(shí)，沉積物對(duì)氨氮的吸附呈線性特征，且沉積物對(duì)氨氮的吸附符合方程:Q=K*·C+q。式中：Q(mg·kg-1)為單位質(zhì)量的干沉積物對(duì)氨氮的吸附量；K*(L·kg-1)為回歸線斜率常數(shù)；C(mg·L-1)為上覆水中氨氮的平衡濃度；q(mg·kg-1)為單位質(zhì)量干沉積物中固定態(tài)氨氮的含量。荷花池底泥氨氮吸附方程為Q=38.234C-29.505；南湖大橋底泥氨氮吸附方程為Q=36.569C-8.957。

當(dāng)模擬上覆水氨氮濃度大于10mg·L-1時(shí)，沉積物對(duì)氨氮的吸附呈拋物線特征，荷花池底泥氨氮吸附方程為Q=-1.3302C2+47.63C+11.328，當(dāng)初始氨氮濃度為17.9 mg·L-1時(shí)，底泥氮吸附量達(dá)到最大值，為437.54mg·kg-1。南湖大橋底泥氨氮吸附方程Q=-2.2778C2+84.034C-254.48，當(dāng)初始氨氮濃度為18.45mg·L-1時(shí)，底泥氮吸附量達(dá)到最大值，為520.89mg·kg-1。

荷花池底泥最大氨氮吸附含量低于南湖大橋底泥的原因：(1)荷花池底泥本底氨氮含量大于南湖大橋底泥，顆粒表面可吸附氨氮的空白點(diǎn)位較南湖大橋底泥少；(2)荷花池底泥有機(jī)質(zhì)含量高，有機(jī)質(zhì)可能控制著沉積物對(duì)氨氮的吸附行為。Boatman等[5]研究也發(fā)現(xiàn)在富含有機(jī)質(zhì)的沉積物中，有機(jī)質(zhì)或有機(jī)——無機(jī)復(fù)合體控制著沉積物對(duì)氨氮的吸附，這與本文作者的研究結(jié)果相吻合。

1.3 磷的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方案

取若干50mL的離心管，分別加入30mL 1mg·L-1的磷酸鹽溶液，加0.3g(精確到0.001g)沉積物干樣，在(25±1)℃下，恒溫振蕩6min、15min、30min、1h、2h、5h、10h、24h、48h、72h。經(jīng)5000 r·min-1離心5min，過0.45μm微孔濾膜，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定磷酸鹽含量。在相同條件下做3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。另取相同數(shù)量、相同規(guī)格的離心管，加入30mL的去離子水，其他步驟同上，得到修復(fù)的吸附動(dòng)力學(xué)曲線。

1.3.2 吸附時(shí)間對(duì)磷吸附含量的影響

底泥對(duì)磷的吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖3所示。

圖3 磷吸附動(dòng)力學(xué)曲線

從圖3可以看出，隨著時(shí)間的變化，底泥磷吸附含量不斷變化。在初始階段，吸附含量隨時(shí)間變化成波動(dòng)趨勢(shì)，震蕩2h后，隨震蕩時(shí)間延長，磷吸附含量逐漸增大。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到48h時(shí)，吸附含量開始趨于平衡，在50h時(shí)吸附含量達(dá)到最大值。荷花池底泥磷最大吸附含量高于南湖大橋底泥磷最大吸附含量，這說明顆粒物的粒徑越小，對(duì)底泥中磷的吸附性能越強(qiáng)，即吸附含量越大。腐殖質(zhì)能和鐵、鋁形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，提供了重要的無機(jī)磷吸附點(diǎn)位，從而增強(qiáng)了對(duì)磷的吸附。

1.4 氮磷吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.4.1 實(shí)驗(yàn)方案

取若干50mL的離心管，分別加入30mL 0mg·L-1、0.02mg·L-1、0.05mg·L-1、0.1mg·L-1、0.2mg·L-1、0.5mg·L-1、0.8mg·L-1、1mg·L-1、2mg·L-1、4mg·L-1、8mg·L-1、12mg·L-1磷酸鹽溶液，加0.3g(精確到0.001g)沉積物干樣，在(25±1)℃下，恒溫振蕩48h、72h。經(jīng)5000r·min-1離心5 min，過0.45μm微孔濾膜，采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定磷酸鹽含量。在相同條件下做2個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。

1.4.2 初始磷溶液濃度對(duì)磷吸附含量的影響

圖4 磷吸附熱力學(xué)曲線

底泥對(duì)磷的吸附熱力學(xué)曲線如圖4所示。從圖4可以看出，隨著初始磷濃度增大，底泥磷吸附含量不斷增大。在模擬實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的上覆水磷濃度不大于4mg·L-1時(shí)，沉積物對(duì)磷的吸附呈線性特征。荷花池底泥磷吸附方程為Q=52.92C+1.857；南湖大橋底泥磷吸附方程為Q=50.06C-10.33。

當(dāng)模擬上覆水磷濃度大于4mg·L-1時(shí)，沉積物對(duì)磷的吸附呈拋物線特征，荷花池底泥磷吸附方程為Q=0.314C2-5.186C+222.4，當(dāng)初始磷濃度為4mg·L-1時(shí)，底泥磷吸附量達(dá)到最大值，為206.69mg·kg-1。南湖大橋底泥磷吸附方程Q=0.037C2-0.978C+197.2，當(dāng)初始磷濃度為4mg·L-1時(shí)，底泥磷吸附量達(dá)到最大值，為193.93 mg·kg-1。

在同一濃度磷溶液下，荷花池底泥對(duì)磷吸附含量高于南湖大橋底泥對(duì)磷吸附含量，說明底泥顆粒越小，對(duì)磷的吸附含量越大，吸附機(jī)理同磷吸附動(dòng)力學(xué)。

2 結(jié)論

本文對(duì)長春南湖荷花池和南湖大橋底泥對(duì)氮磷的吸附能力進(jìn)行了研究，得到了如下的結(jié)論：

(1)通過底泥氮磷吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可知，在12 h時(shí)底泥對(duì)氨氮吸附量最大，并接近吸附平衡點(diǎn)；當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到48h時(shí)，磷吸附含量開始趨于平衡，在55 h時(shí)吸附含量均達(dá)到最大值。

(2)通過底泥氮吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)可知，在模擬實(shí)驗(yàn)上覆水氨氮濃度不大于10mg·L-1時(shí)，底泥對(duì)氨氮的吸附呈線性特征。當(dāng)模擬上覆水氨氮濃度大于10mg·L-1時(shí)，底泥對(duì)氨氮的吸附呈拋物線特征。當(dāng)初始氨氮濃度為17.9mg·L-1時(shí)，荷花池底泥氮吸附量達(dá)到最大值，為437.54mg·kg-1。當(dāng)初始氨氮濃度為18.45mg·L-1時(shí)，南湖大橋底泥氮吸附量達(dá)到最大值，為520.89mg·kg-1。

(3)通過底泥磷吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)可知，在模擬實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的上覆水磷濃度不大于4mg·L-1時(shí)，沉積物對(duì)磷的吸附呈線性特征。當(dāng)模擬上覆水磷濃度大于4mg·L-1時(shí)，沉積物對(duì)磷的吸附呈拋物線特征。當(dāng)初始磷濃度為4mg·L-1時(shí)，荷花池底泥磷吸附量達(dá)到最大值，為206.69mg·kg-1；南湖大橋底泥磷吸附量也達(dá)到最大值，為193.93mg·kg-1。

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[5]Boatman C D,Murray J W,Modeling Exchangeable NH4+Adsorption in Marine Sediments: Process and Controls of Adsorption[J].Limnology and Oceanography,1984(27):99-110.

Experimental Study on Adsorption of Nitrogen and Phosphorus in Lake Sediments

XIA Ting-ting

(The City College of Jilin Jianzhu University, Changchun Jilin 130111,China)

The paper takes Changchun landscape water——South Lake as the object, under different adsorption time,different initial concentration of nitrogen and phosphorus，which studies the adsorption kinetics,adsorption thermodynamics of nitrogen and phosphorus in South Lake Sediment, in order to prevent and control the rich nutrition of north water，and provide a theoretical basis. The results show that：the adsorption capacity of ammonia nitrogen reaches the maximum when the sediment is shaken 12h, and the adsorption capacity of phosphorus reaches the maximum at 55h; When the initial ammonia nitrogen concentration is 17.9 mg·L-1, the most adsorption capacity of sediment in Lotus Pond is 437.54 mg·L-1, while the initial ammonia nitrogen concentration was 18.45 mg·L-1, the most adsorption capacity of sediment in South Lake Bridge is 520.89 mg·L-1; When the initial phosphorus concentration is 4 mg·L-1, the most adsorption capacity of phosphorus in the sediments of Lotus Pond is 206.69 mg·L-1, and the most phosphorus adsorption capacity of South Lake bridge is 193.93 mg·L-1.

nitrogen and phosphorus; adsorption; kinetics; thermodynamics

2015-08-04

夏婷婷(1988- )，女，黑龍江克山人，吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院助教，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、污染防治研究。

X524

A

2095-7602(2015)10-0054-04