王小強 馬曉穎

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054;2.中國電力顧問集團西北電力設計院，陜西西安 710075)

1 概述

隨著社會快速發(fā)展和人們生活居住條件日益改善，景觀水(公園、居住小區(qū)、公共場所的水景及城市內的河流湖泊)慢慢地融入了人們的生活。但是，大部分景觀水體，系統(tǒng)封閉，缺乏循環(huán)系統(tǒng)，因此水體常處于靜止狀態(tài)，再加上景觀水體水位淺，使得整個水生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，自凈能力嚴重不足。因此景觀水體中氨氮、磷含量通常較高，給藻類生長提供了大量營養(yǎng)物質，致使水中藻類爆發(fā)，富營養(yǎng)化趨勢不斷加重。若長時間未采取有效措施，不但使得景觀水體觀賞效果大大下降，更有甚者會對周圍居民正常生活造成嚴重影響，甚至威脅人體健康。因此，合理有效的改善景觀水體水質，快速經(jīng)濟地恢復其在城市生活中的生態(tài)功能和美學價值，成為城市生態(tài)環(huán)境建設及可持續(xù)發(fā)展的一個亟待解決的重要問題［1-10］。而其中如何去除景觀水體中的高氨氮又成為景觀水處理中的研究熱點。

處理景觀水體常用到的方法有物理覆蓋、化學修復、生物修復等，其中物理覆蓋常用的覆蓋材料有礫石、沙子及一些礦石填料如沸石、陶粒、方解石等。很多研究學者研究結果表明，沸石通過吸附、攔截等作用對氨氮去除效果明顯，去除率明顯高于其他材料;另一方面，我國沸石儲量相對較大，開采工藝簡單，價格便宜，吸附飽和失效后可通過簡單方法再生以便重復使用，且易于實現(xiàn)原位處理。因此，同其他處理方法及覆蓋材料相比，具有成本低，經(jīng)濟高效，便于實現(xiàn)等眾多優(yōu)點［11］。天然沸石以二氧化硅為其主要化學成分。天然沸石是一種含水鋁硅酸鹽礦物，其空間網(wǎng)架狀結構及蘊含豐富空腔和孔道的特性決定了可以吸附并貯存大量分子［12，13］。本研究以景觀水體為實驗對象，考察了沸石去除景觀水體中高氨氮的吸附特性，以期為工程應用提供理論依據(jù)與技術支持。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

本實驗研究選用的天然斜發(fā)沸石濾料買自河南鞏義夾津口海宇填料生產(chǎn)廠。實驗開始前，用蒸餾水將所購沸石洗凈，并在105℃的烘箱內干燥5 h，然后置于干燥器中備用。

原水:取自西安某景觀水，其主要化學成分如表1所示。

表1 某景觀水原水水質

2.2 實驗方法

1)沸石去除氨氮隨時間變化:動力學實驗研究。以50 mL的離心管為反應容器，將1 g準備好的沸石填料置于其中，加入濃度為50 mg/L氨氮(氯化銨)溶液20 mL，置于恒溫搖床震蕩(溫度設定室溫 25 ℃)，實驗開始后分別于 5 min，10 min，30 min，1 h，2 h，6 h等時刻取水樣，直至達到去除平衡，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測定水樣中剩余氨氮濃度值，直到沸石吸附氨氮達到平衡為止。

2)初始氨氮濃度對沸石吸附的影響:等溫吸附實驗研究。同樣以50 mL的離心管為反應容器，將1 g準備好的沸石填料置于其中，在不同反應容器中加入初始濃度不同的氨氮(氯化銨)溶液20 mL，初始濃度分別為 10 mg/L，25 mg/L，50 mg/L，80 mg/L，100 mg/L，200 mg/L，250 mg/L，300 mg/L。置于恒溫搖床震蕩(溫度設定為25℃)，根據(jù)1)實驗測定結果，反應振蕩進行72 h后取出反應容器，將水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測定水樣中剩余氨氮濃度值。

3)不同溫度對沸石吸附氨氮效果的影響。以50 mL的離心管為反應容器，將1 g準備好的沸石填料置于其中，加入濃度為50 mg/L氨氮(氯化銨)溶液20 mL，置于恒溫搖床震蕩，設置恒溫震蕩搖床溫度分別為10℃，15℃和25℃，反應振蕩進行72 h后取出反應容器，將水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測定水樣中剩余氨氮濃度值。

3 結果與討論

3.1 沸石去除氨氮隨時間變化:動力學研究

如實驗方法1)中所述，每隔一定時間(5 min，10 min，30 min，1 h，2 h，6 h，12 h，24 h，36 h，72 h)取出置于25 ℃恒溫震蕩搖床上進行吸附動力實驗研究的反應容器離心管，測定水樣中剩余氨氮濃度值，計算其相應去除率，結果如圖1所示。從圖1中可以看出，初始階段，沸石對氨氮吸附量迅速增加，振蕩反應進行3 000 min后，隨時間延長，吸附量增加速度減緩，此時最高去除率高于90%。

3.2 初始氨氮濃度對沸石吸附的影響:等溫吸附研究

再如實驗方法2)中所述，選取吸附時間為72 h，考察沸石投加量為1 g，25℃條件下，不同初始濃度的氨氮溶液(10 mg/L，25 mg/L，50 mg/L，80 mg/L，100 mg/L，200 mg/L，250 mg/L，300 mg/L)對吸附效果的影響，測定結果如圖2所示。在圖2中用q表示固體在溶液中吸附質吸附的能量大小，即吸附量，通過以下公式計算:

其中，q為沸石吸附量，mg/g;V為溶液體積，mL;C前為吸附前溶液濃度，mg/L;C后為吸附后溶液濃度，mg/L;M為沸石質量，g。

對照經(jīng)典等溫吸附公式弗羅因德利希(Freundlich)及朗格繆爾(Langmuir)公式與本實驗研究結果對照(如圖3，圖4所示)。由圖3，圖4可見，研究結果更符合朗格繆爾(Langmuir)公式，因此，本研究所選取的沸石在設定實驗條件下對NH+4的等溫吸附公式可表示為q=Ce/(4.449 2+0.21Ce)。氨氮吸附極限值為4.642 3 mg/g。從動力學觀點出發(fā)的朗格繆爾(Langmuir)等溫吸附理論以單分子層吸附;吸附固體表面均勻;被吸附在固體表面上的分子相互之間無作用力;吸附平衡為動態(tài)平衡等為基本假設，認為固體表面對氣體分子的吸附是單分子層吸附。但是該式中常數(shù)物理意義不明，只能算作經(jīng)驗公式，這是其用于溶液吸附時的最大缺點［7］。

3.3 不同溫度對沸石吸附氨氮效果的影響

不同溫度對沸石吸附氨氮效果的影響實驗結果如圖5所示。從圖5中可以看出，在實驗所選溫度范圍內(10℃，15℃和25℃)，沸石的吸附量隨反應溫度升高而升高。從10℃變至15℃時，實驗所選沸石對氨氮去除率隨溫度升高緩慢增加;溫度為25℃時，去除率迅速達到93.4%。由此可見在實驗所選三個溫度中(10℃，15℃，25℃)25℃時，沸石對氨氮的去除率最高，最高去除率為93.4%。

4 結語

使用沸石對氨氮去除率可達90%以上;沸石對氨氮符合經(jīng)典等溫吸附模型Langmuir等溫模型。本實驗研究所選用的沸石對氨氮的吸附極限值為4.642 3 mg/g;實驗所選取的三個溫度中(10℃，15℃，25℃)25℃時，沸石對氨氮的去除率最高，最高去除率為93.4%。

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