4種不同填料對氮磷吸附效果的實驗研究

耿 雪，劉樺聰，秦紅燁

（天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636）

4種不同填料對氮磷吸附效果的實驗研究

耿 雪，劉樺聰，秦紅燁

（天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636）

選擇沸石、無煙煤、麥飯石和鋼渣作為示范工程的備選填料，通過吸附性能實驗篩選除氮磷效果較好的兩種填料。靜態(tài)吸附結(jié)果表明4種填料都可用Freundlish 和 Langmuir 吸附等溫方程擬合，沸石對氮的吸附量最大為2.56g/kg，無煙煤對磷的吸附量最大為1.59g/kg。動態(tài)吸附結(jié)果表明：沸石和麥飯石對氮的吸附效果較好；無煙煤對磷的吸附效果最好；其它3種填料除磷效果次于無煙煤。最終選擇沸石與無煙煤作為示范工程的組合填料。

填料；雨水徑流；吸附

生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田面源污染使水體環(huán)境受到嚴重破壞，排入湖泊、河流造成氮磷含量超標(biāo)，引發(fā)水體富營養(yǎng)化。

全國84個代表性湖泊約有52%的湖泊呈富營養(yǎng)狀態(tài)，48%的湖泊為中營養(yǎng)狀態(tài)，富營養(yǎng)化狀況十分嚴重［1］，因此研究水體脫氮除磷顯得迫切而重要。傳統(tǒng)的化學(xué)法除氮磷費用高且產(chǎn)生大量污泥，某些生物法也存在工藝復(fù)雜、運行成本高、去除效率差等問題［2］。

人工濕地技術(shù)由于其生態(tài)性和運行成本低等特點，成為除氮磷的研究熱點，其中填料起主要作用，通過填料的過濾、吸附、沉淀、微生物降解以及植物和藻類吸收等多種途徑共同完成。所以選擇濕地填料時，需對其吸附氮磷的性能進行實驗研究。

天然填料是目前應(yīng)用最廣泛的填料，但工業(yè)廢料作為濕地填料可充分發(fā)揮資源的再利用潛力，與天然填料組合，可達到較好的處理效果。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：沸石、無煙煤、麥飯石、鋼渣，取自鞏義市恒鑫填料廠，粒徑2mm，試驗用水為自配水。

試驗儀器與方法：紫外-可見分光光度計（752 系列）、電子分析天平（EL104）、低速離心機（L535R-1）、恒溫振蕩箱（HZQ-Q）等。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法。

1.2 實驗方法

（1）填料對氮磷的等溫吸附。配制濃度為5、10、20、40、60、80、100mg/L 的 NH4Cl（KH2PO4）溶液于250ml 的錐形瓶中，放入10g填料，25℃恒溫振蕩24h，振蕩完畢后在3000r/min下離心5min，取上清液測定氮磷濃度，每種填料設(shè)3組平行實驗。

（2）單一水質(zhì)的吸附動力學(xué)實驗。稱取10g填料于一定濃度的NH4Cl（KH2PO4）溶液，25℃恒溫振蕩1、3、5、10、20、30、50、70、130、190、250min后取樣，測定吸光度，每種填料設(shè)3組平行實驗。

（3）混合水質(zhì)的吸附動力學(xué)實驗。配制含有一定濃度的KNO3、KH2PO4、NH4Cl的混合溶液于錐形瓶中，總磷、氨氮、總氮濃度分別為 4mg/ L、 1.5mg/L、 6mg/ L，取10g填料于錐形瓶中，恒溫25℃振蕩5、10、20、40、60min后取樣，測定吸光度，每種填料設(shè)3組平行實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料對氮磷的等溫吸附擬合曲線

4種填料對氮磷的吸附量均隨磷溶液初始濃度增加而增大，使用Langmuir和Freundlich方程擬合等溫吸附曲線，相關(guān)參數(shù)見表1、2。

表1 4種濾料氮吸附量曲線擬合相關(guān)系數(shù)

表2 4種濾料磷吸附量曲線擬合相關(guān)系數(shù)

式中：Q為吸附平衡時填料的吸附量，mg/kg；Ce為溶液平衡質(zhì)量濃度，mg/L；b為理論飽和吸附量，g/kg；a、c、d均為常數(shù)。

由相關(guān)系數(shù)R2>0.9可知，Langmuir和Freundlich都能較好描述4種填料對氮磷的吸附，無煙煤、麥飯石、鋼渣使用前者的擬合度較高，沸石使用后者的擬合度較高。沸石對氮的理論吸附量最大，為2.56g/kg，這與沸石自身的結(jié)構(gòu)特點以及含有較多可以與水中銨離子交換的陽離子有關(guān)；其次是麥飯石為1.75g/kg；無煙煤和鋼渣較小，分別為1.30和 1.08g/kg。由于無煙煤中含有較多金屬離子可以與水中磷酸根發(fā)生沉淀反應(yīng)，無煙煤對磷的理論吸附量最大，為1.59g/kg；沸石次之，為1.33g/kg；麥飯石和鋼渣最小，在0.90mg/kg左右。

2.2 單一水質(zhì)動力學(xué)吸附

濾料整個的吸附過程分為快、中、慢三個階段，分別對應(yīng)著不同的吸附位點，對吸附過程階段速率有著不同的影響［3］。如圖1所示，沸石和麥飯石隨著吸附時間延長，對氮的去除率增加達到85%以上，且沸石達到吸附平衡的時間最短吸附速度最快，吸附量為91.90mg/kg。無煙煤在120min時溶液中氮的溶度反而增加，可能是吸附在顆粒上的氮重新釋放到溶液中，吸附時間延長利于無煙煤對氮的吸附。鋼渣中存在易溶離子對高價態(tài)的金屬性離子吸附能力強，對銨根離子吸附效果較差。使用X熒光光譜儀（XRF）對實驗所用4種填料進行檢測，其中麥飯石含54%的SiO2和17%的Al2O3，沸石含58%的SiO2和12%的Al2O3，此類硅鋁氧化膠體成分會提供巨大的比表面積。但相比于沸石，麥飯石引起不具有沸石的晶狀體結(jié)構(gòu)及靜電場力，可能在單位時間內(nèi)的吸附量比沸石少。

如圖2所示，無煙煤對磷的吸附效果明顯最好，在5min內(nèi)去除率即到達92%，濃度已降至 0.33mg/L，吸附量已達到 51.75mg/kg，無煙煤有直徑與分子相當(dāng)?shù)奶糠肿映⒖?，且分布均一，物理化學(xué)吸附作用和化學(xué)反應(yīng)作用強，可作為優(yōu)質(zhì)的除磷濾料。另外3種填料濃度變化趨勢一致，0～50min 內(nèi)吸附速率較快，50min之后，變化逐漸趨向平緩，去除率為24%～55%，吸附量基本飽和。

圖1 4種填料對氮的去除效果

圖2 4種填料對磷的去除效果

2.3 混合水質(zhì)動力吸附

圖3 4種填料在混合水質(zhì)中的吸附效果

4種填料在混合水質(zhì)中對總氮、總磷、氨氮的吸附效果如圖3所示，結(jié)果顯示：沸石和麥飯石對氮的去除效果較其它兩種填料好，總氮達到吸附平衡的時間為20min，去除率分別為27%、10%，氨氮去除率分別為89%、 36%，其中沸石達到吸附平衡的時間較短為10分鐘，麥飯石為50min；無煙煤對磷的吸附量最大吸附速度最快，達到吸附平衡時間為5min，去除率為66%，其它3種填料對磷的去除效果相差不大。進一步驗證了單一水質(zhì)動力吸附的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）通過靜態(tài)吸附實驗，結(jié)果表明4種填料對氮的吸附量排序為沸石（2.56g/kg）＞麥飯石（1.75g/kg）＞無煙煤（1.30g/kg）＞鋼渣（1.08g/kg）；填料對磷的理論最大吸附量為無煙煤（1.59g/kg）＞沸石（1.33g/kg）>麥飯石（0.89mg/kg）＞鋼渣（0.86g/kg）。

（2）單一水質(zhì)和混合水質(zhì)的動態(tài)試驗結(jié)果顯示：沸石和麥飯石對氮的吸附速度較快、去除效率較高，其中沸石效果最好；無煙煤對磷的吸附效果明顯優(yōu)于其它3種填料，單一水質(zhì)5min即達到吸附平衡去除效率92%，混合水質(zhì)5min達到吸附平衡，由于吸附少量總氮，去除效率為66%。

（3）4種填料作為示范工程備選填料時，可選擇沸石與無煙煤組合使用，氮磷的去除效果將優(yōu)于單一填料，填料的級配與比例是影響污染物去除率的重要因素［4］，可再進行小試及中試實驗確定填料的裝填方式。

［1］田永杰，唐志堅，李世斌.我國湖泊富營養(yǎng)化的現(xiàn)狀和治理對策［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31（5）：119-121.

［2］郭迎慶，張玉先.人工濕地生態(tài)系統(tǒng)脫氮除磷機理及研究進展［J］.給水排水，2009，35（S1）：114-117.

［3］趙桂瑜，周琪，秦琴.幾種人工濕地基質(zhì)對磷素的吸附作用研究［J］.中國環(huán)境學(xué)報，2006，29（6）：211-214.

［4］張騰，周君，李豐，等.用于人工濕地污水處理的復(fù)合填料的研究進展［J］.科學(xué)情報開發(fā)與經(jīng)濟，2013，23（2）：156-160.

X703

A

1671-3818（2016）10-0003-02

環(huán)境保護部水體污染控制與治理科技重大專項“海河干流水環(huán)境質(zhì)量改善關(guān)鍵技術(shù)與綜合示范”（2014ZX07203009）。