莫文銳,黃建洪,田森林,武炳君,易 皓
(1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明650500; 2.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州510655;3.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)
氨氮與磷在三種人工濕地填料上的吸附動(dòng)力學(xué)
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(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明650500; 2.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州510655;3.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)
利用吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了浮石、陶結(jié)和陶粒對(duì)氨氮和磷的吸附動(dòng)力學(xué)特征.結(jié)果表明:浮石對(duì)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(duì)氨氮與磷,以及陶結(jié)對(duì)氨氮的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征均可以用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)和Bangham模型加以描述.其中浮石對(duì)氨氮和磷以及陶結(jié)對(duì)氨氮的吸附以化學(xué)吸附反應(yīng)控制為主,而陶粒對(duì)磷的吸附過(guò)程則以擴(kuò)散反應(yīng)控制為主.三種填料對(duì)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(dòng)力學(xué)
氨氮與磷皆為造成水體富營(yíng)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(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性考慮,一般都不采用改性材料作為填料,而充分利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源,選擇合適的填料[3-5],對(duì)人工濕地低耗而有效地去除污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有現(xiàn)實(shí)意義.
目前鮮見關(guān)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(guān)研究,作者選擇了云南當(dāng)?shù)亓畠r(jià)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(duì)象,研究其對(duì)氨氮與磷的吸附動(dòng)力學(xué)特征,以期為濕地填料的選擇及工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù).
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(guò)篩而得到粒徑為8~12μm的實(shí)驗(yàn)填料顆粒,顆粒在陽(yáng)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?jǐn)?shù)如表1所示.
表1 填料表面主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of major elements on the surface of the substrates %
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(guò)濾膜過(guò)濾后測(cè)定其污染物含量并據(jù)此計(jì)算不同吸附時(shí)間的填料對(duì)污染物的吸附量.吸附量的計(jì)算如式(1)所示:
式中,qt為t時(shí)的吸附量(mg·kg-1);ρ0與ρt分別為初始及t時(shí)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).
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(cè)定.
圖1是填料吸附量qt隨時(shí)間t變化的曲線.
圖1 吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.1 Kinetic curves for adsorption
圖1顯示,浮石對(duì)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(duì)氨氮與磷以及陶結(jié)對(duì)氨氮的吸附量在吸附初期會(huì)隨時(shí)間快速上升,到了后期吸附速率會(huì)放緩,直至緩慢達(dá)到吸附平衡,達(dá)到平衡所需時(shí)間均不超過(guò)160min.而陶結(jié)對(duì)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(huì)向水體釋磷而無(wú)吸附效果,故不再探討其吸磷動(dòng)力學(xué)特征.
污染物的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征可用準(zhǔn)一級(jí)模型、準(zhǔn)二級(jí)模型和Bangham公式描述,還可根據(jù)擬合出的動(dòng)力學(xué)方程估算某時(shí)刻的吸附量和達(dá)到平衡吸附量所需的時(shí)間.
準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型為:
準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型為:
Bangham吸附速度公式為:
式中:qt和qe分別為t時(shí)刻和平衡時(shí)的吸附量(mg·kg-1);t為吸附時(shí)間(min);k1與k2分別為準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)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(dòng)力學(xué)模型對(duì)氨氮的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行擬合,結(jié)果見表2.
表2 動(dòng)力學(xué)模型對(duì)氨氮吸附過(guò)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(duì)氨氮的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征,R2都達(dá)到了0.9以上.準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)浮石和陶結(jié)吸附氨氮的擬合較準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程要稍好些,說(shuō)明化學(xué)吸附機(jī)制對(duì)浮石和陶結(jié)吸附氨氮過(guò)程的控制要稍強(qiáng)于擴(kuò)散機(jī)制的控制.而陶粒對(duì)氨氮的吸附過(guò)程則用準(zhǔn)一級(jí)模型擬合得更好些,說(shuō)明吸附過(guò)程以擴(kuò)散機(jī)制控制為主.Bangham吸附速度公式能較好地描述三種填料對(duì)氨氮的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征,說(shuō)明三種填料對(duì)氨氮的吸附以表面吸附為主[6].
用式(2)~(4)這三種吸附動(dòng)力學(xué)模型對(duì)磷的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行擬合,結(jié)果見表3.
表3 動(dòng)力學(xué)模型對(duì)磷吸附過(guò)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(duì)磷的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征,R2都達(dá)到了0.97以上.準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)浮石吸附磷的擬合要好于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,說(shuō)明化學(xué)吸附機(jī)制對(duì)浮石吸附磷過(guò)程的控制要強(qiáng)于擴(kuò)散機(jī)制的控制.而陶粒對(duì)磷的吸附過(guò)程則用準(zhǔn)一級(jí)模型擬合得稍好些,說(shuō)明吸附過(guò)程受擴(kuò)散機(jī)制控制要稍強(qiáng)于受化學(xué)吸附機(jī)制控制.Bangham吸附速度公式能較好地描述浮石和陶粒對(duì)磷的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征,說(shuō)明這兩種填料對(duì)磷的吸附以表面吸附為主.
1)浮石對(duì)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(duì)氨氮與磷以及陶結(jié)對(duì)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(dá)到吸附平衡.
2)準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)和Bangham模型均能較好地描述人工濕地填料浮石與陶粒對(duì)氨氮與磷、陶結(jié)對(duì)氨氮的等溫吸附動(dòng)力學(xué)特征.浮石吸附氨氮和磷及陶結(jié)吸附氨氮的過(guò)程均以受化學(xué)吸附機(jī)制控制為主,而陶粒吸附磷的過(guò)程以受擴(kuò)散機(jī)制控制為主.三種填料對(duì)氨氮以及浮石和陶粒對(duì)磷的吸附均以表面吸附為主.
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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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2009ZX07102-003-4).
莫文銳(1987-),男,碩士,研究方向?yàn)槲廴究刂苹瘜W(xué).*
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