人工湿地不同基质磷吸附性能试验研究

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摘

要：针对近年来大量含磷废水排入水体所造成的污染问题，研究了沙、碎石、土、灰渣4种人工湿地基质对废水中磷的吸附效果，考察其吸附动力学性能和解吸性能，进行等温吸附试验。结果表明，4种基质中土的吸附效果最好，12　h时吸附量可达489.2　mg·g-1；土的等温吸附可以用弗里德里希吸附等温式和兰缪尔吸附等温式表示，其相关性系数分别为0.990和0.952　9；解吸试验表明，吸附饱和后的土的解吸效果较差，12　h后磷的解吸率为16.8%。以上结果可以为实际的工业应用提供参考。

关键词：人工湿地；基质；磷；吸附

中图分类号：X52；　X703

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2013.01.019

Study　on　Phosphorus　Adsorption　Performance　of　Different　Substrates　Used　in　Constructed　Wetland

SHI　Li-jun1，2，　WANG　Yang1，2，　LIU　Hui-fen1，2，　ZHANG　Wei-yu1，3

（1.　China-Japan　Collaborative　Research　Center　for　the　Rural　Environment　and　Resource，　Tianjin　300384，　China；　2.　Department　of　Agronomy，　Tianjin　Agricultural　University，　Tianjin　300384，　China；　3.　Department　of　Electromechieal　Engineering，　Tianjin　Agricultural　University，　Tianjin　300384，　China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

In　recent　years　a　large　number　of　wastewater　containing　phosphorus　has　been　discharged　into　water　bodies　and　has　caused　serious　water　pollution.　In　this　paper，　four　kinds　of　substrate　materials　in　constructed　wetland　including　sand，　gravel，　soil　and　coal　burn　slag，　were　used　to　investigate　the　adsorption　performance　to　phosphorus.　Adsorption　dynamics　experiment，　isothermal　adsorption　experiment　and　desorption　experiment　were　conducted.　The　results　showed　that　soil　had　good　phosphorus　removal　effect　with　the　adsorptive　amount　of　489.2　mg·kg-1　at　the　end　of　12　h.　The　data　obtained　in　the　experiment　were　fit　to　both　Freundlish　and　Langmuir　adsorption　isothermal　equations　with　the　correlation　coefficients　of　0.990　and　0.952　9　respectively.　Desorption　experiment　indicated　that　the　desorption　efficiency　of　soil　was　16.8%　at　the　end　of　12　h.　These　results　could　provide　reference　for　practical　engineering.

Key　words：　constructed　wetland；　substrate；　phosphorus；　adsorption

随着我国经济和社会的快速发展，各种含磷废水排放所造成的富营养化等水体污染问题日益引起人们的关注[1-2]。在各种含磷废水处理方法中，人工湿地具有处理效果好、运转维护简便、投资和运转费用低、具有环境美学价值等优点[3]。目前，人工湿地污水处理技术在欧洲、北美等发达国家已经得到广泛的研究和应用，近年来在我国的应用也逐渐增多[4-5]。

基质是人工湿地的“心脏”，污水中的磷可以通过基质的吸附作用而去除　[6-7]，因此基质的特性对人工湿地磷去除效果具有至关重要的影响。由于基质种类繁多、不同基质的成本和吸附效果不同，因此寻求开发价格低、效果好的磷吸附基质，已成为修复富营养化水体和含磷废水处理的研究热点之一[8-9]。

有研究者对人工湿地不同基质的除磷效果进行了研究[10-12]，发现沸石、蛭石是人工湿地的良好基质，但是上述基质价格昂贵、产地有限。鉴于成本因素的考虑，在满足处理效果的基础上，从常规的低成本基质中筛选出合适的基质不失为一种可行的选择。

综上所述，本试验主要研究沙、碎石、土、灰渣4种低成本人工湿地基质对废水中磷的吸附效果，考察不同基质的磷吸附动力学性能、等温吸附性能和饱和基质的脱附性能，为实际的应用提供参考。

1

材料和方法

1.1

基质和含磷废水

本试验选取的4种基质分别为沙、碎石、土、灰渣。沙和碎石取自某建筑工地，土取自天津农学院校内试验田，灰渣取自某供热站，为燃煤锅炉燃烧后产物。上述基质除杂、粉碎、烘干后过筛，将过滤后的基质用蒸馏水浸泡3次，每次24　h，最后用烘箱烘干备用。

试验中的含磷废水为人工模拟废水，废水中的磷采用KH2PO3提供，根据需要的浓度将准确称质量后的KH2PO3溶解于蒸馏水中而成。

1.2

试验方法

1.2.1

基质种类的影响

准确称取20　g基质置于250　mL锥形瓶中，加入60　mg·L-1（以P计，下同）的KH2PO3溶液200　mL，将锥形瓶置于恒温摇床中，在（25±1）　℃、200　r·min-1的条件下振荡，分别于0.5，1，2，4，6，9，12，24，48　h取样离心

（2　000　r·min-1、2　min），测其上清液磷浓度，根据其浓度变化计算基质的吸附量，每种基质作3组平行，取平均值绘制各种基质磷吸附量、溶液中磷浓度随时间的变化曲线。

1.2.2

等温吸附试验

准确称取5　g基质分别置于5个250　mL锥形瓶中，分别加入1，2，5，10，20　mg·L-1的KH2PO3溶液200　mL，将锥形瓶置于恒温摇床中，在（25±1）　℃、200　r·min-1的条件下振荡12　h后离心（2　000　r·min-1、2　min），测其上清液磷浓度，根据其浓度变化计算磷吸附量，每种浓度作3组平行，取平均值绘制平衡吸附量和平衡浓度的关系曲线，并回归磷吸附等温方程。

1.2.3

解吸试验

准确称取上述吸附饱和的基质（经过滤风干后）5　g置于250　mL锥形瓶中，加入蒸馏水200　mL，将锥形瓶置于恒温摇床中，在（25±1）　℃、200　r·min-1的条件下振荡，分别于1，4，8，12，18，24　h取样离心（2　000　r·min-1、

2　min），测其上清液磷浓度，作3组平行，取平均值绘制磷解吸后上清液磷浓度、解吸率随时间的变化曲线。

1.3

分析方法

本试验测定的主要指标为磷，采取钼锑抗分光光度法进行测量[13]。

2

结果与分析

2.1

不同基质的吸附效果

图1反映了沙、碎石、土、灰渣4种基质溶液中磷浓度随时间的变化关系。由图可见，随着吸附时间的增加，曲线整体呈下降趋势，说明溶液中磷浓度逐渐减少，磷去除率逐渐增大；最初12　h内磷浓度下降较快，12　h后浓度几乎没有变化。在初始浓度都是60　mg·L-1的相同条件下，4种基质溶液磷浓度最低的是土，说明土的吸附效果最好，其次是沙，然后是灰渣和碎石。土作为基质吸附6　h后溶液中磷浓度已经下降为12.22　mg·L-1，磷去除率达到79.6%。吸附12　h后，土、沙、灰渣、碎石4种基质溶液中磷浓度分别下降为11.08　，13.30，19.11，19.93　mg·L-1，磷去除率分别为81.5%，77.8%，68.2%和66.8%。

图2表示相同条件下4种基质磷吸附量随时间的变化关系。和浓度变化相对应，随着吸附时间的延长，基质对磷的吸附量也逐渐增大；最初12　h内磷吸附量增大较明显，12　h后吸附量几乎保持不变。4种基质中土的吸附效果最好，12　h后其吸附量达到489.2　mg·kg-1，而沙、灰渣、碎石的吸附量分别为467.0，408.9和400.8　mg·kg-1。

2.2

土的等温吸附效果

等温吸附试验选择土作为吸附基质，由前述试验可知12　h后吸附量基本保持稳定，所以选择的吸附平衡时间为12　h。土的等温吸附试验数据见表1，等温吸附曲线如图3所示。从表1和图3可以看出，随着初始磷浓度的增大，其平衡浓度也逐渐增大，相应的平衡吸附量也在增大；浓度较小时，平衡吸附量变化较大。初始浓度由1　mg·L-1变化到20　mg·L-1时，平衡吸附量由33.08　mg·kg-1增大到336.0　mg·kg-1。

2.2.1

弗里德里希法

将吸附等温试验数据进行弗里德里希回归，其回归方程见公式（1）：

由公式（1）两边取对数，即可得公式（2）：

以lgq对lgc作图，可得一直线，由直线斜率和截距可求出常数n和k。

根据表1数据进行弗里德里希回归得到的方程为y=　0.606　5x　+　1.949，其相关系数R2=0.990，即可求出n=1.649，k=88.879　mg·kg-1。因此可得弗里德里希方程为：

q=88.879C0.606　5

2.2.2

兰缪尔法

兰缪尔吸附等温方程如公式（3）和（4）所示：

k1=qm·k2（4）

由公式（3）两边取倒数可得出公式（5）：

以1/q对1/c作图可求出常数k1、k2和qm。

根据表1数据进行回归，得到的兰缪尔方程为y=4.622　7x　+4.913　9，其相关系数R2=0.925　9，可求出qm=0.204　mg·g-1，　k1=0.216　mg·g-1，k2=1.059　L·mg-1。所得兰缪尔方程为：

通过吸附等温数据拟合的弗里德里希方程和兰缪尔方程及其相关性系数如表2所示。

2.3

土的解吸效果

图4表示了吸附饱和后土的解吸效果。如图所示，随着解吸时间的增加，溶液中磷浓度逐渐增大，相应的解吸率也随之增大。在0～12　h内，解吸效果变化较明显，12　h时上清液的磷浓度为8.2　mg·L-1，解吸率为16.8%；12　h后解吸效果变化变缓，24　h时上清液的磷浓度和解吸率分别为10.3　mg·L-1和21.17%。

3

结

论

在初始浓度60　mg·L-1的条件下，土、碎石、沙子、炉灰渣4种基质12　h后的吸附量分别为489.2，467.0，408.9，400.8　mg·kg-1。土的等温吸附可以用弗里德里希吸附等温式和兰缪尔吸附等温式表示，在0～20　mg·L-1的浓度范围内，其表达式分别可以用q=88.879c0.606　5和q=表示，相关性系数分别为0.990和0.925　9。土吸附饱和后12　h解吸率为16.8%，解吸量较小，不会造成二次污染问题。

参考文献：

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