不同人工湿地基质对氮磷吸附性能研究何绪文

PerformanceofDifferentConstructedWetlandSub-stratesonNitrogenandPhosphorousAdsorptionXuwenHE,HaoWANG,HuiLIN,ZhenCHAI,YueZHANG,LiyuanLIU,JianliJIA,JianbingWANGSchoolofChemicalandEnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing,100083,P.R.ChinaEmail:[e-mail]:Substrateisanimportantcomponentofconstructedwetlands,playingansignificantroleinthepurificationofnitrogenandphosphorous.Thenitrogenandphosphorusadsorptionpropertiesoffoursubstrates，includinglytag,gravel,clinoptiloliteandcarpolite,werestudiedthroughthebasicexperiments.FreundlichmodelandLangmuirmodelwereusedtofitadsorptionisothermequationexperimentalresults,revealingthatintermsofG0withammonianitrogenad-sorption,clinoptilolitelytaggravelcarpolite;andintermsofG0withphosphorusadsorption,lytagcarpoliteclinoptilolitegravel.Theprecipitationexperimentscarriedoutaftersubstrateadsorptionsaturationrevealedthattheammonianitrogenadsorbanceofclinoptilolitewaslarge,itsadsorptionefficiencywashighandtheprecipitationquan-tityaftersaturationwaslow;whilethephosphorusadsorbanceoflytagwaslargeandthepercentumofprecipitationwaslow.Theresultsrevealedthattheprecipitationofnitrogenandphosphorusoccurredinthefoursubstrates,whichmayleadtothesecondarypollutionofwaterbodies.Keywords:constructedwetland;substrate;nitrogenandphosphorous;adsorption不同人工湿地基质对氮磷吸附性能研究何绪文，王昊，林辉，柴祯，张岳，刘俐媛，贾建丽，王建兵中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京，中国，100083Email:[e-mail]摘要:基质作为人工湿地的重要组成部分，对氮磷的净化起着重要作用。通过对粉煤灰陶粒、砾石、沸石、石灰石四种基质对氮磷吸附性能基础实验研究，运用Freundlich和Langmuir两种模型方程对等温吸附实验结果进行拟合，基质对氨氮吸附的G0依次为：沸石粉煤灰陶粒砾石石灰石，对磷素吸附的G0依次为：粉煤灰陶粒石灰石沸石砾石。基质吸附饱和后解析实验表明：沸石对氨氮吸附容量很大，其易吸附性能好，且饱和后解析量很小；而粉煤灰陶粒对磷吸附量相对较大，解析百分比低。通过实验表明：四种基质都存在氮磷解析的现象，致使水体有二次污染风险。关键词:人工湿地；基质；氮磷；吸附1引言人工湿地作为一种生态处理技术，自上个世纪五六十年代[1]生态学家发现其具有净化水质功能，1972年Kickuth提出根区法(RootZoneMethod)后得到迅速发展，到八十年代已经成为一种污水处理的新技术。目前许多国家用人工湿地处理各类污水，包括城市生活污水、尾矿排出液、暴雨径流、工业污水、农业面源污染污水、垃圾渗滤液、受污染河流湖泊等地表水、养殖污水、污泥脱出水、富营养化水体等[2-5]。人工湿地是一个由动植物、微生物、基质等构成的水生生态系统，通过各组成部分间相互协同作用，使湿地系统平衡运转，并达到较优的净化能力。基质作为人工湿地系统的一个关键组成部分，其作用至少有：作为植物的生长载体；为微生物提供大量的生长空间；直接通过物理化学作用净化水体；并保定具有一定的空气扩散能力和水力传导性能。目前大多数学者认为人工湿地系统对于氨氮去除主要依靠微生物硝基金项目：中央高校基本科研业务费资助（2009QH12）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07209-003-07）ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2010SciRes.879化反硝化，但不否定植物和某些基质存在较大贡献；而对于磷的去除，由于微生物作用不大，植物吸收能力有限，一般认为，人工湿地基质吸附磷是湿地除磷的主要机理，基质是进入湿地磷的最终归宿[6-9]。因此选择合适的基质将有利于提高人工湿地对氮磷的去除。在此，笔者进行了砾石、沸石(以绿十字沸石为主)、石灰石、工业副产物粉煤灰陶粒四种基质的对比研究，在实验室条件下，排除其它外界不可控环境因素干扰，单纯考查不同基质在静态条件下对氮磷素吸附性质的差异，从而为选择合适人工湿地基质提供理论依据。2材料与方法2.1实验材料本文选取粉煤灰陶粒、砾石、沸石(以绿十字沸石为主)、石灰石四种基质对氮磷吸附性能进行对比研究，实验材料来自河南水质净化滤料厂。基质部分化学组成如表1。Table1.Somechemicalcomponentsofdifferentsubstrates表1.不同基质部分化学成分粉煤灰陶粒砾石沸石石灰石全量Al（mg/g）133.468.382.330.6全量Fe（mg/g）57.144.410.18.6全量Ca（mg/g）68.50.028.3320.6全量Mg（mg/g）12.75.14.020.9全量Mn（mg/g）0.00.00.00.02.2测试方法氨氮:纳氏试剂比色法（GB7479-87）；磷：磷锑抗分光光度法（GB11893-89）。2.3实验条件与方法2.3.1序批吸附等温实验称取上述四种基质20g于250ml碘量瓶中，加入由NH4Cl、KH2PO4配制的不同浓度氨磷溶液200ml，并置于恒温空气振荡器中，于25±1℃、125±5r/min条件下振荡48h后进行取样经0.45μm滤膜过滤后分析氮磷浓度，并绘制吸附等温曲线。2.3.2饱和基质解析实验称取吸附饱和基质10g于250ml碘量瓶中，加入去离子水200ml，在恒温空气振荡器中于25±1℃、125±5r/min条件下振荡24h后进行取样经0.45μm滤膜过滤后分析氮磷浓度，并计算解析比。3结果与分析3.1基质对氮磷等温吸附分析对于恒温条件下固—液发生的吸附现象，常用Freundlich吸附方程来表示固体表面吸附量和液体中吸附质平衡浓度之间的关系，而Langmuir吸附方程可以确定固体介质理论最大吸附容量和吸附强度[2]。Freundlich吸附方程：1lglglgGKCn式中：G表示吸附平衡单位质量吸附剂吸附量，C为吸附平衡时吸附质浓度，K、n为常数Langmuir吸附方程：00111GGGC式中：G0表示吸附剂最大理论吸附量，C为吸附平衡时吸附质浓度，G表示吸附平衡时单位质量吸附剂吸附量，A为常数。在Freundlich方程中，K值直接反应吸附量大小，K值越大，表明吸附能力越强；1/n可粗略地反应基质对氮磷的吸附强度,一般认为，1/n0.5表明吸附质极易被吸附，1/n2表明吸附质难于被吸附。在Langmuir吸附方程中，G0表征吸附量大小，G0越大则表明吸附量越大，1/A表征基质对氮磷的络合能，最大缓冲量（MBC=G0/A）能综合反应基质吸收氮磷强度和容量。根据所得实验结果，分别用Freundlich吸附方程和Langmuir吸附方程进行拟合。基质对氨氮等温吸附线相关参数见表2；基质对磷素等温吸附线相关参数见表3。Freundlich模型和Langmuir模型对四种基质对氨氮吸附拟合均表现出较好的相关性。四种基质K值大小为：沸石粉煤灰陶粒石子砾石，1/n均小于2，表明对氨氮均有一定的吸附量，而沸石和石灰石1/n0.5，表明这沸石和石灰石易吸附氨氮。四种基质的G0依次为：沸石粉煤灰陶粒砾石石灰石，MBC值为：沸石粉煤灰陶粒石灰石砾石。四种基质中斜发沸石K、G0、MBC最大，尤其是G0、MBC远大于其它三种基质，表明斜发沸石具有较大的吸附能力和缓冲能力，而砾石和石灰石的吸附量和缓冲量最小，粉煤灰陶粒居中，因此在构建氨氮负荷较高的人工湿地时时最好不要以砾石和石灰石这类基质作为基质含量ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2010SciRes.880Table2.Relatedparametersofammonianitrogenadsorptionisothermequationaboutthesubstrate（25℃）表2.各种基质氨氮吸附等温拟合方程及相关参数（25℃）Freundlich吸附方程Freundlich吸附方程基质名称K1/nR(n=7)G0(mg/g)AR(n=7)MBC(mg/g)粉煤灰陶粒0.03440.55880.95730.16334.71330.93250.0347砾石0.00510.50080.99050.02575.59520.94520.0046沸石0.78180.40690.97252.22672.13200.95001.0444石灰石0.00890.27570.97260.02192.56990.95860.0085Table3.Relatedparametersofphosphorousadsorptionisothermequationaboutthesubstrates（25℃）表3.各种基质磷素吸附等温拟合方程及相关参数（25℃）Freundlich吸附方程Langmuir吸附方程基质名称K1/nR(n=7)G0(mg/g)AR（n=7)MBC(mg/g)粉煤灰陶粒0.05380.58560.90870.37256.72370.92960.0554砾石0.00021.07280.96000.017564.84060.98110.0003沸石0.00830.43050.95830.047310.28520.99080.0046石灰石0.00041.12360.99600.1305250.45340.99830.0005单一填料，而可以考虑以沸石这类基质或掺杂这类基质，以求得对氨氮好的去除效果。Freundlich模型和Langmuir模型对四种基质对磷吸附拟合均表现出较好的相关性。四种基质K值大小为粉煤灰陶粒沸石石灰石砾石，1/n均小于2，表明对磷素均有一定的吸附量。四种基质的G0依次为：粉煤灰陶粒石灰石沸石砾石，MBC值为：粉煤灰陶粒沸石石灰石砾石。粉煤灰陶粒K、G0、MBC最大，尤其是G0、MBC比其它三种基质大很多，表明粉煤灰陶粒相对其它三种基质来说具有较大的吸附能力和缓冲能力，但其G0、MBC仍然不大，而一般认为，人工湿地基质吸附磷是湿地除磷的主要机理，