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).

1 實(shí)驗(yàn)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(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 %

1.2 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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）.

1.3 測(cè)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(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 填料吸附量的時(shí)間變化

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.

2.2 氨氮吸附動(dòng)力學(xué)

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].

2.3 磷吸附動(dòng)力學(xué)

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.

3 結(jié)論

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.

[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(hù)科學(xué)，2007，33（2）：7－10.

[2]劉 波，陳玉成，王莉瑋，等.4種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，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(ài)紅，邱海源，等.固定化海藻對(duì)金屬離子吸附效果的研究[J].海洋學(xué)報(bào)，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(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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