几种人工湿地基质材料对磷的吸附性能研究
人工湿地不同基质磷吸附性能试验研究
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 ， １ ２ｈ时吸附量可 达
天 津农业科 学
・农 业 环 境 保 护
ｉ ｎ Ａ ｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ
人工 湿地不 同基质磷 吸附性 能试验研 究
石／ Ｉ 军 …， 工 ， 汤ｔ ｆ １ ， 惠芬 ： ， 一 ， 张伟 玉 ， 。 （ １ ． 夫津中日 农村环境． 资源合作研究中心， 夭津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ； ２ ． 天津农学院 农学系， 天津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ； ３ ． 天津农学院机电系， 天津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ）
几种人工湿地基质净化磷素的机理
中国环境科学 2004,24(5)：614~617 China Environmental Science 几种人工湿地基质净化磷素的机理袁东海1,景丽洁2,张孟群3,高士祥1,尹大强1,王连生1＊ (1.南京大学污染控制与资源化国家重点实验室,江苏南京 210093；2.吉林化工学院环境科学系,吉林吉林 132022；3.南京大学现代分析中心,江苏南京 210093)摘要：研究了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣7种人工湿地基质材料净化污水磷素的机理,并初步评价了其作为人工湿地基质可能导致的磷素二次污染的风险.结果表明,矿渣、粉煤灰有很好的磷素去除效果,蛭石、黄褐土和下蜀黄土次之,沸石和砂子的去除效果较差.上述人工湿地基质净化磷素的机理主要为化学机理,表现为基质全钙、氧化钙、水溶性钙的含量越高,其固定形成的磷酸钙盐越多,在pH值较高的情况下,主要形成难溶性的磷酸八钙和磷酸十钙,有利于磷素的净化;基质中游离氧化铁、铝和胶体氧化铁、铝含量越高,其固定形成的磷酸铁盐和磷酸铝盐数量越多,基质净化磷素的能力越强.除砂子外,上述基质磷素饱和吸附后,磷素释放比例很低.加强人工湿地基质管理,其基质吸附的磷素一般不会对水体环境造成二次污染.关键词：人工湿地；基质；磷素；净化；机理中图分类号：X505,X703 文献标识码：A 文章编号：1000－6923(2004)05－0614－04Mechanism of phosphorus purification in some kinds of substrates constructed wetland systems. YUAN Dong-hai1, JING Li-jie2, ZHANG Meng-qun3, GAO Shi-xiang1, YIN Da-qiang1, WANG Lian-sheng1(1.State key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuses, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.Department of the Environmental Science, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China；3.Modern Analysis Center, Nanjing University, Nanjing 210093, China). China Environmental Science, 2004,24(5)：614~617Abstract：The mechanism of sewage phosphorus purification by 7 kinds of substrate materials (sand, zeolite, vermiculite yellow-cinnamon soil, Xiashu loess, fly ash and flag) in constructed wetland was studied. Flag and fly ash had very good removal effect of phosphorus, followed by vermiculite, yellow-cinnamon soil and xiashu loess, the zeolite and sand had the less effect. The mechanism as mentioned above was mainly chemical mechanism, so the more the content of total, oxidized and water soluble Ca, the more the solidified calcium phosphate. Under the condition of higher pH, the solidified calcium phosphate was mainly the phosphates of octo and ten calcium hard to dissolve, so favorable to phosphorus purification. The more contents of free oxides of Fe, Al, as well as of colloid oxides of Fe, Al in substrate, the more amounts of solidification phosphates of Fe, Al; the phosphorus purification capacity of the substrate was more strange. The ratio of desorption and saturated adsorption of phosphorus as mentioned above was very low except sand substrate. Strengthening the substrate management in constructed wetland, the second time pollution of phosphorus on waters environment would not be formed generally in constructed wetland.Key words：constructed wetland；substrate；phosphorus；purification；mechanism基质是人工湿地的重要组成部分,对于净化污水中的污染物,特别是磷素污染物有着重要的作用[1].一些学者研究了不同类型的人工湿地基质,认为富含钙和铁铝质的基质,净化污水中磷素能力较强,而硅质含量较高的基质净化能力较差[2,3].砂子、砾石和部分土壤等含硅质的基质,其净化磷素污染物能力较差,添加化学絮凝剂、沉淀剂能显著提高砂子净化磷素的能力[4－6].还有些学者开发了本地土壤、黏土矿物和部分工业副产物人工湿地基质,并研究了其净化磷素污染物的效果[7－11],但对这些基质磷素吸附后的磷素形态转化和释放特征研究较少,缺乏其使用安全性能 收稿日期：2004－02－17基金项目：国家“973”项目(2002CB412307);南京大学污染控制与资源化国家重点实验室开放基金资助(NJUESK03005)* 责任作者, 教授, wls@5期袁东海等：几种人工湿地基质净化磷素的机理 615的评价.作者以常见的人工湿地基质材料为研究对象,研究磷素污染物在湿地基质系统中形态转化,试图揭示人工湿地净化污染物的机制,以提高其净化能力和安全性能.1 材料与方法1.1 试验材料砂子取自于长江下游南京段支流河床,沸石、蛭石分别取自于安徽繁昌、河北灵寿;黄褐土和下蜀黄土取自于南京市郊区;粉煤灰、矿渣分别取自于金陵电厂、南京梅山钢铁公司.上述材料球磨后过100目筛子备用.经X-射线衍射分析,砂子主要矿物成分为石英;沸石主要为丝光沸石;黄褐土主要为伊利石、高岭石和石英;下蜀黄土主要为伊利石、高岭石和石英;蛭石主要为蛭石、长石;粉煤灰主要为石英、氧化钙和方解石;矿渣为主要菱铁矿、氧化钙、方解石和白云石.1.2 基质磷素饱和吸附后磷素形态测定称取上述基质50g左右各2份置于250mL 离心管中,根据磷素吸附等温线的测定结果,加入不同浓度的KH2PO4标准溶液100mL,置于恒温摇床中,每天摇2h,以4d为1个周期,4d后离心,测其上清液KH2PO4的浓度,直至上清液浓度稳定不变,时间约需3个月.然后用无水酒精洗去多余的KH2PO4溶液,风干、磨碎、过100目,用顾益初等人[12]修正的土壤中无机磷分级方法测定基质磷饱和吸附后不同形态磷素含量,取平均值.1.3 基质饱和吸附磷素后磷素释放实验准确称取3份上述磷素饱和的基质1g于塑料离心管中,加入0.02mol/L的KCl溶液50mL,置于恒温摇床中,180~190r/min,25±1℃摇动不同时间后离心，测上清液KH2PO4浓度,计算解吸的KH2PO4数量,取平均值,绘制磷素解吸曲线.1.4 测定方法磷素含量用钼锑抗比色法测定[12];矿物组成和矿物全量分别用X射线衍射和X射线荧光分析法测定(南京大学分析中心);游离态氧化Fe、Al用DCB法提取(连二亚硫酸钠－柠檬酸钠－重碳酸钠提取法),等离子体发射光谱法测定(南京大学分析中心)[12];胶体氧化Fe、Al含量用草酸－草酸铵缓冲液法提取,等离子体发射光谱法测定(南京大学分析中心)[12];水溶性氧化钙用蒸馏水浸提(土:水=1:5),原子吸收法测定.供试基质矿物含量、理化性质和磷素含量见表1,表2.表1供试基质的主要矿质元素含量(以氧化物计,g/kg) Table1 The contents of major mineral elements in substrates used in experiments (g/kg)矿物成分砂子沸石黄褐土下蜀黄土蛭石粉煤灰矿渣SiO2９２３．７ ７４８．２ ６８３．９ ７０７．０ ４０８．５ ５０６．７ ９４．１ Al2O3３１．４ １０７．６ １３１．９ １２９．０ １３３．１ ２９５．１ ９．２０ CaO １．６０ １２．２０ ９．４０ ８．７０ ２５．９０ ６５．５０ ４２３．５０ Fe2O3６．４０ １２．２０ ５３．６０ ５０．３０ １３７．１０ ３８．７０ ２８２．６０ K2O ２０．７０ ４４．１０ ２２．５０ ２２．７０ ３１．８０ ７．００ ０．９１ Na2O ２．６０ １８．４０ １１．８０ １２．２０ ４．００ ５．１０ １．５０ MgO １．２０ １．５０ １５．００ １０．８０ １４５．６０ ６．１０ ７２．１０ MnO ０．１１ ０．８６ １．００ １．１０ １．１０ ０．１４ ２２．８０ P2O5<0.01 <0.01 ０．８７ ０．７１ ０．１６ １．１０ ２７．４０ 表2 供试基质部分理化性质Table 2 Some Physico-Chemical characteristics ofsubstrates used in experiments项目砂子沸石黄褐土下蜀黄土蛭石粉煤灰矿渣pH值7.11 7.82 6.77 7.12 7.42 11.87 13.54 游离氧化铁(g/kg)4.00 4.20 22.50 16.40 19.40 14.20 140.60 胶体氧化铁(g/kg)1.402.10 6.403.70 13.60 6.00 110.20 游离氧化铝(g/kg)0.88 1.80 5.90 4.70 12.50 6.00 4.10 胶体氧化铝(g/kg)0.33 1.10 2.70 1.90 7.80 4.90 1.20 水溶性钙(CaO g/kg)0.16 0.27 0.40 0.32 0.87 6.20 37.00 2 结果与分析2.1基质磷素饱和吸附后磷素形态变化分析由表3可见,基质饱和吸附磷素后磷素的含量依次为矿渣>粉煤灰>蛭石>黄褐土>下蜀黄土>沸石>砂子;扣除基质背景磷素含量,基质磷素的616 中国环境科学 24卷饱和吸附量仍然是矿渣>粉煤灰>蛭石>黄褐土>下蜀黄土>沸石>砂子.从吸附的磷素形态转化来看,黄褐土、下蜀黄土和蛭石吸附的磷素转化为Fe-P的比例较大,砂子、沸石、粉煤灰和矿渣转化为Ca-P(Ca2-P+Ca8-P+Ca10-P(下同)的比例较大,其中粉煤灰和矿渣吸附的磷素转化为Ca-P的比例达80%以上.在转化的Ca-P中,砂子、沸石、蛭石、粉煤灰和矿渣转化为难溶性的Ca8-P和Ca10-P的比例较大,其中粉煤灰和矿渣吸附的磷素主要转化为Ca8-P和Ca10-P,黄褐土和下蜀黄土转化为Ca8-P和Ca10-P的比例较小. 表3基质磷素饱和吸附后不同形态磷素含量(mg/kg) Table 3 The contents of different kind of phosphorus insubstrates saturatedly adsorbed with P (mg/kg)磷素形态砂子沸石黄褐土下蜀黄土蛭石粉煤灰矿渣磷酸二钙(Ca2-P) 43 82 208 181.9 153.5 1037 1565 磷酸八钙(Ca8-P) 51 132 100 117.5 530 6800 10150 磷酸十钙(Ca10-P) 22 122 119 133 316 5540 44500 磷酸铁(Fe-P) 88.3 234 654 541 1560 552.8 9075 磷酸铝(Al-P) 72 206.5 456 375 808 680 335蔽蓄态磷(O-P) 0 0 180 136 108 328.6 480.5 其他形态(Other-P) 0 0 89.6 76.8 235 825 1023 总磷(Total-P) 276.3 776.5 1807 1561 3711 15763 671282.2 基质磷素饱和吸附后磷素形态变化影响因素数学分析表明(表4),基质吸附磷素后Ca-P 的含量同基质Ca的含量呈极显著的幂函数关系,这是因为Ca易与磷酸根离子生成磷酸钙盐,特别是在碱性条件下,Ca极易与磷酸根离子生成难溶于水的磷酸钙盐.本研究中粉煤灰和矿渣因钙的含量较多,这些钙素部分又以氧化钙的形式存在,碱性较强,其吸附的磷素大部分转化为Ca8-P 和Ca10-P.而在下蜀黄土和黄褐土中,由于钙的含量不多,且基本属于中性基质,其吸附的磷素转化为难溶于水的Ca8-P和Ca10-P的比例相对较小.基质吸附的磷素转化为Fe-P的含量也和基质中铁的形态有关.本研究中基质吸附的磷素转化为Fe-P的含量同游离态氧化铁的含量以及胶体氧化铁的含量也呈极显著幂函数关系,从相关系数的大小来看,与胶体氧化铁的含量关系更为密切.游离态氧化铁一部分为结晶态氧化铁,另一部分为胶体态氧化铁,胶体态氧化铁含有较多的正电荷,容易和磷酸根结合,生成磷酸铁盐.本研究中黄褐土、下蜀黄土、蛭石和矿渣中含有的游离态氧化铁和胶体态氧化铁多于其他基质,因而形成了较多的Fe-P.基质吸附的磷素转化为Al-P也和基质中铝的形态有关,其吸附的磷素转化为Al-P 和游离态氧化铝及胶体态氧化铝呈极显著的线性函数关系,游离态铝和胶体态氧化铝含量较高的基质形成的Al-P的数量较多.由此可见,基质的化学性质和组成对于基质本身吸附的磷素数量和形态转化有着重要的作用,在构建人工湿地的时候,应选择基质吸附磷素数量较多,转化为难溶性磷素比例较大的基质,以提高人工湿地污染物净化容量.表4基质不同形态磷素含量同其化学组成之间的关系Table 4 The relationship between characteristics and different type phosphorus in substrates相关因素拟合方程相关系数Ca-P与全Ca Y=33.90X1.22 0.963*Ca-P与水溶性Ca Y=1.25×103X1.120.994*Fe-P与游离氧化铁Y=26.50X1.170.957*Fe-P与胶体氧化铁Y=99.74X0.990.983*Al-P与游离氧化铝Y=62.89X+96.7 0.927*Al-P与胶体氧化铝Y=92.94X+154.3 0.955*注: Y为磷素含量(以P计,mg/kg), X为化学组成(以氧化物计,g/kg), * 极显著相关2.3基质磷素饱和吸附后磷素释放特征和安全性评价对上述人工湿地饱和吸附磷素污染物后磷素释放特征进行了研究,结果表明,磷素饱和吸附的基质释放磷素在中性水体中很快达到平衡,平衡时间小于4h,磷素最大释放量见表5.由表5可见,砂子吸附的磷素解吸率最大,其次是下蜀黄土、黄褐土,再次为沸石和蛭石,解吸率最低的是粉煤灰和矿渣.从砂子饱和吸附量和最大解吸量来看,尽管其解吸率较大,但是因其饱和吸附量较低,最大解吸量也较低;又因其吸附的磷素解吸5期袁东海等：几种人工湿地基质净化磷素的机理 617可以在很短的时间达到平衡;采取适当措施,加强人工湿地基质的管理,一般不会造成磷素二次污染问题.沸石处理得当,也不会造成磷素二次污染.对于黄褐土、下蜀黄土、蛭石、粉煤灰和矿渣这类人工湿地的基质,因其磷素吸附量较大,处理磷素含量不是很高的生活污水,短期内基质不会达到吸磷素吸附饱和状态,一般不会造成磷素二次污染.表5 磷饱和基质磷素的最大解吸量及解吸率 Table 5 The ratio of desorption and adsorption ofphosphorus in substrates saturatedwith phosphorus基质饱和吸附量(mg/kg)最大解吸量(mg/kg)解吸率(%)砂子276.3 28.5 10.31沸石776.5 25.6 3.30黄褐土1797 89.0 4.95下蜀黄土1502 83.5 5.56 蛭石3711 75.0 2.02粉煤灰15763 24.4 0.15矿渣67128 175.8 0.263 结语基质磷素饱和吸附实验表明,矿渣和粉煤灰净化磷素能力最强,其次为蛭石、黄褐土和下蜀黄土,砂子和沸石净化磷素能力最差.由于砂子和沸石颗粒较粗、滤过性能较好,适合作为潜流型人工湿地基质,为了提高其磷素净化容量,可在砂子和沸石基质中添加磷素吸附性能较强的基质材料.粉煤灰和矿渣基质磷素吸附容量很大,且磷素释放量很低,是一种很好的净化磷素的基质材料,但是其碱性较大,不适合植物的生长,可以作为人工湿地砂子基质或土壤基质的中间吸附层.黄褐土、下蜀黄土、蛭石由于其通透性较差,多做为表面流人工湿地基质,因其磷素吸附容量较大,如果加强湿地植被的管理,短期内不会达到磷素吸附饱和.加强人工湿地基质的管理,上述人工湿地基质材料的使用一般不会造成水体二次污染. 参考文献：[1] Kivaisi K A. The potential for constructed wetlands forwastewater treatment and reuse in developing country; a review [J]. Ecological Engineering, 2001,16:545－560.[2] Drizo A, Frost C A, Grace J, et al. Physico-chemical screening ofphosphate-removing substrates for use in constructed wetland systems [J]. Water Research, 1999b,33(17):3595－3602.[3] Yuan G,Lakulich L M. Phosphate adsorption in relationship toextractable iron and aluminum in spodosols [J]. Soil Sci. Soc. Am.J., 1994,58:343－346.[4] Arias C A, Bubba D M, Brix H. Phosphorus removal by sands foruse as media in subsurface flow constructed reed beds [J]. Water Research, 2001,35(5):1159－1168.[5] Bastin O, Janssens F, Dufey J, et al. Phosphorus removal bysynthetic iron oxide-gypsum compound [J]. Ecological Engineering, 1999,12:339－351.[6] Ann Y, Reddy K R, Delfino J J, et al. Influence of chemicalamendments on phosphorus immobilization in soil from a constructed wetland [J]. Ecological Engineering, 2000,14:157－167.[7] 尹连庆,张建平,董树军,等.粉煤灰基质人工湿地系统净化污水的研究 [J]. 华北电力大学学报, 1999,26(4):76－79.[8] Chueng K C, Venkitachalam T H. Improving phosphate removalof sand infiltration system using alkaline fly ash [J]. Chemosphere, 2000,21:243－249.[9] Sakadevan K, Bavor H J.Phosphate adsorption characteristics ofsoils, slags and zeolite to be used as substrates in constructed wetland systems [J]. Water Research, 1998,32(2):393－399. [10] Johansson L, Petter G J. Phosphate removal using blast furnaceslags and opoka-mechanisms [J]. Water Research, 1999,34(1): 259－265.[11] Zhu T, Jenssen P D, Mæhlum T, et al. Phosphorus sorption andchemical characteristics of light weight aggregates-potential filter media in treatment wetlands [J]. Water Science and Technology, 1997,35(5):103－108.[12] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法 [M]. 北京:中国农业科技出版社, 2000.作者简介：袁东海(1964－),男,安徽桐城人,副教授,南京大学环境学院在站博士后,主要从事湿地生态、流域利用和管理、土壤侵蚀等领域的研究和教学工作.发表论文20余篇.。
《2024年人工湿地除磷基质筛选及其吸附机理研究》范文
《人工湿地除磷基质筛选及其吸附机理研究》篇一一、引言随着现代工业和农业的快速发展，水体富营养化问题日益严重，其中磷的排放是导致水体污染的主要因素之一。
人工湿地作为一种生态友好的污水处理技术，其除磷效果和基质选择密切相关。
本文旨在研究人工湿地中除磷基质的筛选及其吸附机理，以期为人工湿地的优化设计和运行提供理论支持。
二、人工湿地除磷基质筛选2.1 基质种类与来源人工湿地除磷基质的种类繁多，主要包括天然基质和人工合成基质。
天然基质如砂、砾石、土壤等，具有成本低、易获取等优点。
人工合成基质如活性炭、生物炭、陶瓷颗粒等，具有更高的吸附性能和稳定性。
在选择基质时，应综合考虑其吸附性能、稳定性、经济性及可获取性。
2.2 筛选方法与过程筛选人工湿地除磷基质的方法主要包括实验室模拟和现场试验。
在实验室模拟中，通过对不同基质进行静态吸附实验，测定其吸附磷的能力和动力学特性。
在现场试验中，通过对不同基质进行长期运行，观察其除磷效果和性能稳定性。
通过综合比较，筛选出具有较高除磷性能和稳定性的基质。
三、吸附机理研究3.1 物理吸附与化学吸附人工湿地除磷基质的吸附过程包括物理吸附和化学吸附。
物理吸附主要是通过范德华力、静电作用等实现，具有较高的吸附速率，但吸附能力较弱。
化学吸附则是通过化学键合作用实现，具有较高的吸附能力和稳定性。
在除磷过程中，物理吸附和化学吸附往往同时发生，相互影响。
3.2 基质表面性质与吸附机理基质的表面性质对吸附过程具有重要影响。
基质表面的电荷、极性、比表面积等性质决定了其与磷的相互作用方式。
研究表明，具有较高比表面积和丰富表面官能团的基质具有更好的除磷性能。
此外，基质的孔隙结构也对吸附过程产生影响，适当的孔隙结构有利于提高基质的吸附能力和容量。
四、实验结果与讨论通过对不同基质进行静态吸附实验和长期运行试验，我们发现某种人造陶瓷颗粒基质具有较高的除磷性能和稳定性。
该基质具有较高的比表面积和丰富的表面官能团，同时具有良好的孔隙结构和较高的机械强度。
人工湿地填料的磷吸附特性研究
郑 正 （９ ７ ） 男 ， 苏连云港人 ， １５ 一 ， 江 教授 ．
维普资讯
２０ ０ ８年 １月
李培培等 ：人工湿地填料的磷吸附特性研究
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１３ 无机 磷 的分 形测 定 ．
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４种 填 料每 种 分别 称取 ６ｇ １０ｍＬ三 角烧 瓶 中， 分别 加入 质 量浓 度 为 １ ０ ｇＬ 于 ０ ０ｍ ・ 的 Ｋ ２Ｏ 溶 液 ０ ＨＰ ３ ３± ． Ｃ ０ｍＬ（００ ）ｏ环境 下 连 续 振荡 ２ ．将 吸 附溶 液 倒 出 后 ， 馏 水 洗 ３次 ， 入 ００ ｌＬ ３ ４ｈ 蒸 加 ．１ｍｏ・ 的 Ｋ １ Ｃ 溶液
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１ 人工湿地基质磷素吸附等温线实验 ． ２
分 别称 取 ６ｇ上述 ４种 填料 于 不 同 的 １０ｍＬ三角 烧 瓶 中 ， 后 分 别准 确 加入 ｐ ７０ ０１磷 质 量浓 度 ０ 然 Ｈ＝ ．￣ ．， 为 ０ ２５ ２ ，０６ ，０ ，５ ・ 的 Ｋ ￣Ｏ 溶 液 ３ ，编 号分 别 为 空 白及 １至 ７号 ； 支持 电解 质 为 ， ， ，０４ ，０ １０ １０ｍｇＬ ＨＰ ０ｍＬ Ｋ Ｉ质量 浓 度 为 ００ ｏ・ 再 各 加入 氯 仿 ３滴 以抑 制微 生 物 活动 ． 将上 述 三角 烧 瓶 置 于摇 床 中 （ＨＺＣ Ｃ， ．１ｍ ｌＬ ； Ｔ ．
6种人工湿地填料对氮·磷的吸附效果研究
6种人工湿地填料对氮磷的吸附效果研究李琼辉;于伟鹏;李小荣;郭跃华;郭震【摘要】[目的]探讨6种人工湿地填料对水体中氨氮、总磷污染物的处理效果.[方法]通过静态摇床试验,研究沸石、火山石、蛭石、柱状活性炭、生物陶粒、无烟煤填料吸附氨氮和总磷的能力,建立各填料等温吸附模型.[结果]沸石对氨氮的吸附效果最好,蛭石、火山石次之,而柱状活性炭、生物陶粒、无烟煤对氨氮的吸附效果较差;柱状活性炭、火山石对总磷的吸附效果较好,其他填料对总磷的吸附效果较差;6种填料的等温吸附过程的拟合结果符合Freundlich吸附模型.[结论]从吸附氨氮、总磷性能的角度考虑,沸石、火山石是人工湿地填料较好的选择.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】4页(P83-86)【关键词】人工湿地;填料;氮;磷【作者】李琼辉;于伟鹏;李小荣;郭跃华;郭震【作者单位】深圳市铁汉生态环境股份有限公司,广东深圳518000;深圳市铁汉生态环境股份有限公司,广东深圳518000;深圳市铁汉生态环境股份有限公司,广东深圳518000;深圳市铁汉生态环境股份有限公司,广东深圳518000;广东省生态环境建设与保护(铁汉)工程技术研究中心,广东深圳518000;深圳市铁汉生态环境股份有限公司,广东深圳518000;广东省生态修复技术工程实验室,广东深圳518000【正文语种】中文【中图分类】S181随着城市经济、工业的快速发展，河流、湖泊的富营养化污染日益加剧，严重破坏了水体生态环境，其中，对造成水体富营养化的主要物质氮、磷的控制十分迫切。
人工湿地污水处理系统作为一种生态式的污水处理技术已得到广泛应用，其主要通过植物、微生物、填料的作用进一步削减城市排水中的污染物[1-2]。
其中，填料作为人工湿地的重要组成部分，对于人工湿地的污水处理效果有着重要的促进作用[3-4]。
目前，人工湿地主要应用沙粒、砾石、碎石作为填料，但是研究发现他们对氮、磷的处理能力有限[5]。
三种人工湿地填料对磷的吸附特性研究
三种人工湿地填料对磷的吸附特性研究刘霄;黄岁樑;刘学功【期刊名称】《水资源与水工程学报》【年(卷),期】2011(22)6【摘要】采用等温吸附和吸附动力学实验,研究了三种人工湿地填料页岩、陶粒和砾石对磷的吸附特性。
结果表明:Freundlich和Langmuir模型均能较好地拟合各填料对磷的吸附特征,各填料对磷的理论饱和吸附量大小依次为页岩(527.992mg/kg)>陶粒(328.165 mg/kg)>砾石(129.729 mg/kg);各填料对磷的吸附过程分为快、中、慢3个阶段,三种填料对磷的吸附速率依次为页岩>陶粒>砾石;准二级动力学方程、双常数方程和Elovich方程均能较好地描述人工湿地填料对磷的吸附动力学特征,但从相关系数来看,准二级动力学方程的描述更为准确。
【总页数】4页(P16-19)【关键词】人工湿地;填料;磷;吸附等温线;吸附动力学【作者】刘霄;黄岁樑;刘学功【作者单位】南开大学环境污染过程与基准教育部重点实验室;南开大学天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室;南开大学环境科学与工程学院水环境数值模拟研究室;天津市水利科学研究院【正文语种】中文【中图分类】X703.1;O647.31【相关文献】1.氨氮与磷在三种人工湿地填料上的吸附动力学 [J], 莫文锐;黄建洪;田森林;武炳君;易皓2.三种人工湿地填料对氨氮与磷的吸附特性 [J], 黄建洪;莫文锐;田森林;宁平;许振成;虢清伟3.人工湿地填料的磷吸附特性研究 [J], 李培培;郑正4.湿地填料的磷吸附特性及潜流人工湿地除磷效果研究 [J], 谭洪新;周琪5.人工湿地填料的静态吸附特性和动态除磷能力研究 [J], 张迎颖;丁为民;陈豪;刘静;庞伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析
几种人工湿地基质净化磷素污染性能的分析袁东海1,景丽洁2,高士祥1,尹大强1＊,王连生1＊(1.南京大学环境学院污染控制与资源化国家重点实验室,南京 210093;2.吉林化工学院环境科学系,吉林 132022)摘要:通过基质磷素等温吸附、净化磷素污染效果和基质磷素饱和吸附后磷素释放实验,研究了砂子、沸石、蛭石、黄褐土、下蜀黄土、粉煤灰和矿渣7种人工湿地基质净化磷素污染效果和影响因素,并评价了基质磷素饱和吸附后磷素释放可能造成的二次污染风险.结果表明:Freundlich 和Langmuir 等温吸附曲线方程均能很好地描述上述基质磷素吸附过程,其磷素理论饱和吸附量依次为矿渣>粉煤灰>蛭石>表土>下蜀黄土>沸石>砂子.磷素的净化能力依次为矿渣>粉煤灰>蛭石>表土>下蜀黄土>沸石>砂子,模拟污水磷素净化实验也证实矿渣、粉煤灰、蛭石净化磷素污染效果较好,表土和下蜀黄土次之,沸石和砂子净化磷素污染效果较差.矿渣和粉煤灰等钙素含量较高的碱性基质,影响磷素吸附净化效果的主要因素是基质的全钙含量,碱性条件下,基质全钙含量越高,其吸附的磷素越多,净化磷素污染的效果越好.砂子、沸石、下蜀黄土、黄褐土和蛭石等活性胶体氧化铁铝含量较多的中性基质,影响其磷素吸附净化效果的主导因素是其胶体氧化铁的含量,胶体氧化铁能促进基质吸附磷素效应,提高磷素净化能力.基质磷素饱和吸附后磷素释放实验也表明:除砂子基质磷素释放比例较高以外,其它基质磷素释放的比例很低,加强人工湿地基质的管理,上述人工湿地基质一般不会对水体环境造成二次污染.关键词:人工湿地;基质;磷素;净化中图分类号:X53;X703;S153 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2005)01-0051-05收稿日期:2004-02-20;修订日期:2004-05-08基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2002CB412307);南京大学污染控制与资源化国家重点实验室开放基金(NJUESK03005).作者简介:袁东海(1964～),男,安徽桐城人,博士后,副教授,主要从事湿地生态,流域利用和管理,土壤侵蚀和保持等领域的研究和教学工作.Email :donghaiyuan @ ＊通信联系人Analysis on the Removal Efficiency of Phosphorus in Some Substrates Used inConstru cted Wetland SystemsYUAN Dong -hai 1,JING Li -jie 2,GAO Shi -xiang 2,YIN Da -qiang 1,WANG Lian -sheng 1(1.State Key Laboratory of W aste Contro l and Resources Reuses ,Nanjing U niversity ,N anjing 210093,China ;2.Depar tment of the Environmental Science ,Jilin I nsitute of Chemical Technology ,Jilin 132022,China )A bstract :Constructed wetlands are widely used to purify w astew ater in some developing countries .As filter substrates in such wet -land ,these substrates play impor tant role on removal of pollutants from w astewater .Selecting suitable substrates is one of the effective w ays to improve the performance of co nstructed we tland on treating wastewater .In this study the phosphorus adso rption capacities of sand ,zeolite ,vermiculite ,tw o clay soils ,tw o industrial by -products named steel slag and fly ash are examined for their potential use as substrate in constructed wetland .Bo th Freundlich and Langmuir adsorption isotherms are very fit for describing the adsorption characteristics of these substrates .T wo industrial by -products including steel slag and fly ash have hig her phospho rus adsorption ca -pacity ,which had 50490and 17934mg ·kg -1respectively .Follow ed vermiculite ,tw o clay soils named yellow cinnamon and xiashu loess with phosphorus adsorption capacity o f 3473,1893.7and 1582mg ·kg -1respectively .T he zeolite and sand had the least phos -phorus adso rption capacity w ith 813.7and 302mg ·kg -1respectively .T he experiments on purifying phosphorus from synthesize do -mestic sewage using these substrates also demo nstra te this conclusio n .T he ability of removal phospho rus of these substrates have closely relationship with their makeup and chemical properties such as pH ,total calcium and reactive calcium ,reactive F e ,A l includ -ing poorly coastal and amorphous Fe ,Al oxide .T he steel slag and fly ash with higher reactive Ca ,such as calcium oxide ,have better adsorption capacity of phosphorus than other substra tes ,and the substrates w hich contained more reactive Fe also have a better ability of adso rption phosphorus than others .T o assess the environmental risk for using these substrates above ,the phosphorus de -sorption characteristics of these substrates are also studied .The process of phosphorus desorption quickly reached equilibrium in no more than 4hours in the ex periments ,the ratio of desorptio n and adsorption of phosphorus in substrates above is lower ex cept sand .T o take suitable measures to manag e substrates abo ve ,the risk o f pollution of phospho rus form these substrates will be controlled .Key words :constructed wetland ;substrates ;phosphorus ;purification 人工湿地是一种高效低耗,具有广泛应用前景的污水处理系统,基质是人工湿地的重要组成部分,对于净化污水中的污染物,特别是磷素污染物有着重要的作用[1～3].受条件限制,目前潜流型人工湿地大多使用当地的河砂和砾石作为基质材料,表面流型人工湿地多采用当地土壤作为基质材料.一些第26卷第1期2005年1月环 境 科 学ENVI RONMENTA L SCIENCEV ol .26,No .1Jan .,2005DOI :10.13227/j .hjkx .2005.01.012学者研究了砂子基质和土壤基质吸附净化磷素污染物的特征和机理,认为砂子和土壤基质净化磷素污染物的能力同其活性钙、胶体氧化铁和铝含量有关,一些砂子和土壤基质活性钙、胶体氧化铁和铝含量较低,磷素净化能力有限,添加化学絮凝剂和沉淀剂有助于增强水体中磷素等污染物的净化效果[4～12].还有一些学者研究了粘土矿物和其它天然矿物以及部分工业副产物净化磷素污染物的效果和机理,认为充分利用当地的自然资源,选择合适的人工湿地基质材料,是构建人工湿地,提高人工湿地净化能力的关键措施[13～22].本研究以我国常见的湿地基质河砂、黏重土壤黄褐土及其母质下蜀黄土、黏土矿物沸石和蛭石以及工业副产物粉煤灰和矿渣为研究对象,研究它们净化磷素污染的能力和效果,为选择合适的人工湿地基质提供理论依据和实践措施.1 材料和方法1.1 试验材料来源人工湿地基质砂子取自于长江下游南京段六合区支流河床,沸石取自于安徽繁昌,蛭石取之于河北灵寿,粉煤灰取自于金陵电厂,黄褐土和下蜀黄土取自于南京市郊闲置土地,矿渣取自于南京梅山钢铁公司资源分公司,上述材料球磨后过100目筛子备用,其主要矿物成分经X-射线衍射分析,砂子主要为石英,沸石主要为丝光沸石,黄褐土主要为伊利石、高岭石和石英,下蜀黄土主要为伊利石、高岭石和石英,蛭石主要为蛭石、长石,粉煤灰主要为石英、氧化钙和方解石,矿渣为主要菱铁矿、氧化钙、方解石和白云石.1.2 人工湿地基质磷素吸附等温线实验准确秤取上述基质1g左右3份(平行试验)于50m L塑料离心管中,加入由0.02mol·L-1KCl溶液配置的不同磷素浓度(以P计,下同)的KH2PO4标准溶液25mL置于恒温摇床中,180～190r/min, 25℃±1℃摇48h后离心,测其上清液磷素浓度,根据其浓度的变化,计算基质吸附磷素的数量,取平均值,绘制基质磷素吸附等温曲线.1.3 人工湿地基质磷素饱和吸附后等温释放实验取经磷素饱和吸附的上述基质1g左右3份(平行试验)于塑料离心管中,加入0.02mol·L-1的KCl 溶液25mL置于恒温摇床中,180～190r/min,25℃±1℃摇不同的时间后离心,测其上清液磷素浓度,计算其解吸的磷素数量,取平均值,绘制其磷素解吸曲线.1.4 人工湿地基质实际净化污水磷素污染物效果的实验根据南京市政排水监测站提供的南京市城镇生活污水磷素含量,用KH2PO4标准溶液配置的磷素浓度为5、10mg·L-1生活污水及磷素浓度为30、50mg·L-1超高浓度生活污水,其中取100m L上述人工配置生活污水于250mL离心管中,加入基质5.00g,180～190r/min,25℃±1℃摇2h后,再静置10h后离心,测上清液磷素的浓度,计算其磷的去除率.1.5 测定方法磷素含量的测定用钼锑抗比色法[23];基质矿物全量的测定用X射线荧光分析法(南京大学现代分析中心);游离氧化态Fe、Al含量用DCB法提取(连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠提取法),等离子发射光谱法测定(南京大学现代分析中心);胶体氧化态Fe、Al用草酸和草酸铵缓冲液提取,等离子发射光谱法测定(南京大学现代分析中心);pH值测定用酸度计法(基质∶水=1∶1);比表面用N2吸附法测定(南京大学地球科学系);羟基释放量用NaF浸提,酸碱滴定法测定;水溶性钙的测定用蒸馏水浸提(基质∶水=1∶5),原子吸收法测定.基质主要矿物含量和部分理化性质详见表1和表2.表1 供试基质的主要矿物含量(以氧化物计)/%Table1 The contents of major mineral elementsin substrates used in experiments/%氧化物砂子沸石黄褐土下蜀黄土蛭石粉煤灰矿渣Si O292.3774.8268.3970.7040.8550.679.41Al2O33.1410.7613.1912.9013.3129.510.92 CaO0.161.220.940.872.596.5542.35Fe2O30.641.225.365.0313.713.8728.26K2O2.074.412.252.273.180.700.091 Na2O0.261.841.181.220.400.510.15 MgO0.120.151.501.0814.560.617.21 MnO0.0110.0860.100.110.110.0142.28P2O5<0.001<0.0010.0870.0710.0160.112.742 结果与分析2.1 供试基质磷素吸附等温线的分析对于恒温条件下固体表面发生的吸附现象,常用Freundlich和Lang muir方程来表示其表面的吸附量和介质中溶质平衡浓度之间的关系:对于Freundlich方程,表达式如下:G=kc1/n,其中G为达到吸附平衡时固体表面的吸附量,c为达到吸附平衡时介质中溶质的浓度,k和n为常数.表2 供试基质部分理化性质Tabl e2 Physics-chemical characteristics of subs trates us ed in experimen ts性质砂子沸石黄褐土下蜀黄土蛭石粉煤灰矿渣pH(1∶1)7.117.826.777.127.4211.8713.54比表面/m2·g-11.89199.7034.2731.5761.353.089.60羟基释放量/cmol·kg-10.503.352.173.279.8568131游离氧化铁(Fe2O3)/%0.400.422.251.641.941.4214.06胶体氧化铁(Fe2O3)/%0.140.210.640.371.360.6011.02游离氧化铝(Al2O3)/%0.0880.180.590.471.250.600.41胶体氧化铝(Al2O3)/%0.0330.110.270.190.780.490.12水溶性钙(CaO)/%0.0160.0270.0400.0320.0870.623.70 对于Langmuir方程,表达式为:1G =1G0+A G01c,其中G为吸附平衡时固体表面的吸附量,c为吸附平衡时介质中溶质的浓度,G0为理论饱和吸附量,A为常数.根据等温吸附实验结果,绘制等温吸附曲线,其吸附等温线符合Freundlich吸附等温线和Lang muir 吸附等温线,均达极显著水平,其吸附等温线方程见表3.表3 供试基质磷素吸附等温曲线方程及其相关参数Table3 The Freundlich and Langmuir adsorption isotherm s of phosphorus in s ubstrates in experiments基质Freundlich吸附方程Langmuir吸附方程k n r(n=10)A G0/mg·kg-1r(n=10)砂子20.82.010.985＊＊43.8302.10.994＊＊沸石44.21.800.984＊＊43.6813.70.996＊＊黄褐土103.61.860.990＊＊50.61893.50.953＊＊下蜀黄土92.641.880.985＊＊45.615820.973＊＊蛭石406.91.610.987＊＊8.4034730.905＊＊粉煤灰1.07×10413.190.901＊＊10.7179340.998＊＊矿渣3.75×10421.320.851＊＊1.42504900.998＊＊＊显著水平;＊＊极显著水平 虽然Freundlich方程和Langmuir方程都适合描述本研究中供试基质的磷素吸附等温曲线,但从相关系数大小来看,Freundilch方程似乎更适合描述黄褐土、下蜀黄土和蛭石的磷素吸附等温曲线,而Langmuir方程似乎更适合描述砂子、沸石、粉煤灰和矿渣的磷素吸附等温曲线.这是因为在本研究中,砂子、沸石、粉煤灰和矿渣的磷素吸附量增加到一定程度时,即便溶液中磷素浓度增加,其磷素吸附量变化不大,而黄褐土、下蜀黄土和蛭石的磷素吸附量仍有不同程度地增加趋势,产生这种现象的原因,还需进一步研究.一般情况下Langmuir方程可以描述固体表面吸附介质中溶质的全部过程,从Langmuir等温吸附方程可以看出:供试基质磷素理论饱和吸附量依次为矿渣>粉煤灰>蛭石>黄褐土>下蜀黄土>沸石>砂子.矿渣、粉煤灰净化磷素的能力较强,其次为蛭石、黄褐土、下蜀黄土,沸石和砂子净化磷素的能力较弱.在构建人工湿地时可以优先考虑净化磷素能力较强的基质,或者在普通基质中掺加这些基质.2.2 供试基质磷素净化性能影响因素的分析不少研究表明人工湿地基质净化磷素的能力受自身组成和理化性质影响较大[3～9,19～22].本研究粉煤灰和矿渣基质,由于其是原煤燃烧和炼钢过程的副产物,在高温条件下,其本身所含的钙素和填料中所含的钙素,极易在高温条件下形成氧化钙,并导致基质的pH值升高,这种条件下氧化钙极易和磷素形成磷酸钙盐沉淀,钙和氧化钙含量是粉煤灰和矿渣吸附磷素的主要影响因素.砂子、沸石、蛭石、黄褐土和下蜀黄土5种理化性质基本相近的基质简单相关分析表明:磷素理论饱和吸附量同基质的羟基释放量、全钙、水溶性钙、游离氧化铁、胶体氧化铁、游离氧化铝和胶体氧化铝的含量呈显著和极显著的正相关关系,其相关系数分别为0.897＊、0.893＊、0.971＊＊、0.791、0.976＊＊、0.995＊＊和0.970＊＊(n =5),同pH值和比表面没有相关性不显著,一是表明pH值在中性范围里对基质磷素吸附作用不明显,二是表明基质吸附磷素的机制主要为化学机制,基质比表面对其磷素吸附作用影响程度较小.需要指出的是基质磷素吸附能力是综合因素作用的结果,为了分析其主导影响因素,本研究运用逐步回归数学分析方法,对影响砂子、沸石、蛭石、黄褐土和下蜀黄土5种基质磷素吸附能力的上述9种因素进行了筛选和分析,结果表明影响上述5种基质磷素吸附能力的主要因素是其胶体氧化铁的含量,其回归方程式为:Y=310.4+2394.3X,式中X为胶体氧化铁的含量(%),Y为磷素吸附量(mg·kg-1),偏相关系数r为0.976,F值和t值分别为60.57和7.78,F检验和t检验均达极显著水平(F0.05= 0.004;t0.05=0.004).这是因为胶体氧化铁含有较多的正电荷,易和负电荷的磷酸根离子结合形成磷酸铁盐沉淀,增强基质对磷素的吸附能力.由此可见,砂子、沸石、蛭石、黄褐土和下蜀黄土5种活性氧化铁铝含量较为丰富,pH值中性附近的基质,影响其磷素吸附能力的主导因素为胶体氧化铁的含量,而粉煤灰和矿渣全钙含量丰富、pH值碱性基质,影响其磷素吸附能力的主导因素为其全钙含量,选择含钙丰富或者含铁丰富的基质是提高人工湿地磷素净化能力的重要手段.2.3 供试基质实际净化磷素效果的分析从试验结果可以看出(表4),粉煤灰、矿渣在设定的磷素浓度0～50mg·L-1范围里,均能很好地去除生活污水中的磷素污染,其去除率达到99%以上,蛭石在设定的磷素浓度0～30mg·L-1范围里、黄褐土、下蜀黄土和沸石在设定的磷素浓度0～10 mg·L-1范围里,其磷素去除率也达到99%以上,这是因为基质对磷素的吸附主要为化学吸附,在磷素浓度较低、基质中钙或者铁铝等活性物质含量较高的情况下,受溶度积常数的控制,这种吸附比较彻底,平衡液中磷素浓度很低.随着磷素浓度的增加,当磷素浓度为50mg·L-1时,蛭石也能很好的去除生活污水中的磷素污染,其去除率达到98%以上,黄褐土和下蜀黄土在磷素浓度为30mg·L-1时,也有着较好的磷素去除效果,其去除率也达90%以上,当磷素浓度达到50mg·L-1时,其磷素的去除率显著下降,黄褐土和下蜀黄土磷素去除率降到80%以下,考虑到生活污水磷素的浓度大多数不会超过30mg·L-1左右(据南京市政排水监测站),黄褐土、下蜀黄土也能做人工湿地的基质;砂子和沸石去磷效果较差,在选择它们做人工湿地基质时,要考虑到加强这类基质强化净化磷素污染的手段,如:一是增加湿地植物的生物量,增强植物去磷的能力,二是在不影响植物生长和不造成二次污染的前提下添加人工或天然的化学絮凝剂或沉淀剂.表4 几种人工湿地基质实际净化磷素污染的效果/%Table4 T he performance of phosphorus removal froms yn thesize w astew ater in som e s ubstrates/%初始浓度/mg·L-1砂子沸石黄褐土下蜀黄土蛭石粉煤灰矿渣595.8>99.0>99.0>99.0>99.0>99.0>99.0 1068.6>99.0>99.0>99.0>99.0>99.0>99.0 3028.376.497.790.8>99>99.0>99.0 5017.152.278.473.198.6>99.0>99.02.4 供试基质磷素饱和吸附后磷素释放特征及磷素二次污染的安全评价.基质磷素饱和后磷素释放试验表明,其磷素解吸在2h到4h左右即可达到平衡,其最大吸附量详见表5.表5 磷饱和基质磷素的最大解吸量及解吸比例Tabl e5 The ratio of des orption and maximum adsorption of phosphorus in substrates saturated w ith phosphorus矿物类型砂子沸石黄褐土下蜀黄土蛭石粉煤灰矿渣理论最大吸附量/mg·kg-1302813.71893.5158234731793450490最大解吸量/mg·kg-128.523.689.083.575.024.4175.8解吸百分比/%9.432.904.845.282.160.140.35 从表5可以看出,矿渣解吸量最大,其次为黄褐土、下蜀黄土、蛭石,砂子和沸石解吸量较少.从解吸百分比来看,砂子吸附的磷素解吸率最大,其次是下蜀黄土、黄褐土、再次为沸石和蛭石,解吸率最低的是粉煤灰和矿渣.综合砂子饱和吸附量和最大解吸量来看,尽管其解吸率较大,但是因为其饱和吸附量较低,最大解吸量也较低,又因其吸附的磷素解吸可以在很短的时间达到平衡,可以在其达到饱和之后,立即用含磷量很低或者不含磷的水进行解吸,收集其解析液进行处理,或者加强植被系统的管理,通过增加植被系统磷素净化能力而延迟其达到饱和时间,一般不会造成磷素二次污染问题.同样,沸石一般情况下如处理得当,也不会造成吸附的磷素二次污染.对于黄褐土、下蜀黄土这类磷素吸附量比较大的人工湿地基质,因其通透性较差原因,比较适合做表面流人工湿地基质,在处理生活污水磷素污染时,表层土壤易达到磷素吸附饱和,在加强表层土壤磷素含量水平监测,辅以土层耕翻交换和植被管理手段,短期内整个土壤基质不会达到磷素吸附饱和状态,一般也不会造成磷素二次污染问题.对于蛭石、粉煤灰和矿渣这类磷素吸附能力很强的基质,可以作为基质吸附磷素能力的强化剂,按比例掺在砂子和土壤这类基质中或者作为磷素吸附层置于砂子和土壤基质中间,可以提高砂子或者本地土壤基质的磷素净化能力,一般也不会存在磷素二次污染问题.3 结语 目前潜流型人工湿地常用的基质普遍为河砂和砾石,净化效果差,即使是以当地土壤作为表面流人工湿地基质,其表层土壤也往往易被污染物吸附饱和.有人建议添加化学絮凝剂和沉淀剂,但有可能造成这些化学添加剂二次环境污染.开发当地吸附能力较强的人工湿地基质或者利用吸附能力较强的无污染的工业副产物作为人工湿地基质或者添加剂,是解决人工湿地基质净化能力低下的首选措施.从本研究的结论来看:砂子作为人工湿地的基质往往显得净化能力不足,但其通透性好,不易堵塞,如果添加吸附磷素能力较强的基质,或者加强人工湿地植被系统的管理,砂子基质仍是潜流型人工湿地首选基质.沸石吸附氮素的效果很好,其通透性好也很好,由于沸石的类型较多,对磷素吸附能力差异较大,可以选择吸附磷素能力较强的沸石,作为人工湿地的基质,既可以达到去氮,又可以去磷的目的;蛭石磷素吸附能力较强,酸碱性适中,可以作为磷素吸附剂掺加到砂子、沸石或者土壤基质中,提高其磷素等污染物的净化能力;黄褐土和下蜀黄土因其通透性较差,一般适合做表面流人工湿地基质,尽管其磷素吸附量比较大,但是磷素的吸附过程多发生在表层,表层土壤也易达到饱和,可在土体内掺加吸附磷素能力较强的基质或者吸附剂和沉淀剂或者定期翻耕交换土层;粉煤灰和矿渣吸附磷素能力很强,但其碱性较大,不适合直接作为人工湿地的基质,否则会导致植被死亡,可以在适合植物生长的酸碱度范围里,按一定比例掺加到砂子或者土壤基质里,也可以作为远离植物根系的湿地基质吸附层,既可以避免其对植物的毒害作用,又可以发挥其吸附作用,可以使工业的副产物达到物尽其用的目的.参考文献:[1] Kivaisi A K.The potential for constructed wetlands for w astew-ater treatment and reuse in developing country;a review[J].E-cological Engineering,2001,16:545～560.[2] Gopal B.Natural and constructed w etlands for wastew ater treat-m ent:poten tial and problems[J].Water S cience and Technolo-gy,1999,40(3):27～35.[3] Drizo A,Frost CA,Grace J,et al.Physico-chemical screeningof phosphate removing substrates for us e in constructed wetlandsystems[J].Water Res earch,1999,33(17):3595～3602. [4] Arias C A,Bubba M D,Brix H.Phosphorus removal by s andsfor use as media in subsurface flow constructed reed beds[J].Water research,2001,35(5):1159～1168.[5] Bubba M D,Arias C A,Brix H.Phosphorus adsorption maxi-m um of sands for use as media in s ubsurface fl ow constructedreed beds as meas u red by the Langmuir isotherm[J].Water Re-s earch,2003.3390～3340.[6] Yuan G,Lakulich L M.Phosphate adsorption in relationship toextractable iron and aluminum in spodos ols[J].Soil Sci.S oc.Am.J.,1994,58:343～346.[7] 陈博谦,王星,尹澄清.湿地土壤因素对污水处理作用的模拟研究[J].城市环境与城市生态,1999,12(1):19～21.[8] 卢瑛,龚子同,张甘霖.南京城市土壤磷的形态和吸附-解吸特征[J].土壤通报,2003,34(1):40～43.[9] 高超,张桃林,吴蔚东.不同利用方式下农田土壤对磷的吸持与解吸特征[J].环境科学,2001,22(4):67～71.[10] Bastin O,Janssens F,Dufey J,et a l.Phosphorus removal bysyn thetic iron oxide-gyps um com pound[J].Ecological Engineer-ing,1999,12:339～351.[11] Chueng K C,Venkitachal am T H.Improving phosphate re-m oval of sand infiltration s ystem us ing alkaline fl y ash[J].Chemosphere,21:243～249.[12] Ann Y,R eddy K R,Delfino J J.Influence of chemical amend-m ents on phosphorus immobilization in s oil from a constructedwetland[J].Ecological Engineering,2000,14:157～167. [13] 薛玉,张旭,等.复合沸石吸氮系统控制暴雨径流污染[J].清华大学学报(自然科学版),2003,46(6):854～857.[14] 徐丽花,周琪.不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究[J].上海环境科学,2002,21(10):603～605.[15] Johansson L,Gustafss on J P.Phosphate removal us ing blast fur-nace slags and opoka-mechanisms[J].W ater Research,1999,34(1):259～265.[16] 邓雁希,许虹,黄玲.蛭石去除废水中磷酸盐的研究[J].中国非金属矿工业导刊,2003,37(6):42～44.[17] 尹连庆,张建平,董树军,等.粉煤灰基质人工湿地系统净化污水的研究[J].华北电力大学学报,1999,26(4):76～79. [18] 崔理华,朱夕珍,骆世明.刘迎湖.煤渣-草炭基质垂直流人工湿地系统对城市污水的净化效果[J].应用生态学报,2003,14(4):597～600.[19] 阎存仙,周红.粉煤灰处理含磷废水的研究[J].上海环境科学,2000,19(1):33～36.[20] Sakadevan K,et al.Phosphate ads orption characteristics ofsoils,slags and zeolite to be used as s ubstrates in constructedwetland s ystems[J].Water R esearch,1998,32(2):393～399.[21] Zhu T,Jenssen P D,Mæh l um T,et al.Phosphorus sorptionand chemical characteristics of light w eight aggregates-potentialfilter media in treatment w etlands[J].Water Science and Tech-nology,1997,35(5):103～108.[22] Gray C A,S chw ab A P.Phosphorus-fixing ability of high pH,high calcium coal-combustion waste materials[J].W ater Air SoilPollution,1993,69:309～320.[23] 鲁如坤,等.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2000.。
不同人工湿地填料除磷性能试验
文章编 号 ：１７ ９ ５ （ ０ ０ ４— ６ ３— ５ ６ ４— ０ ７ ２ １ ）０ ０ ０ ０
不 同人 工 湿 地填 料 除磷 性 能试 验
李金城 ，王君雅 ，徐 芝芬 ，阙光龙 ，陈小玲 ，李文文 ，李欢强
（ 桂林 理工 大学 ａ 环境 科学 与工 程学 院 ；ｂ ． ．广西环 境工 程与保 护评 价重 点实 验室 ，广西 桂林 ５ １０ ） ４０４
第３ Ｏ卷 第 ４期
２１ ０ ０年 １ 月 １
桂 林
理 工
大 学 学 报
Ｖｏ ＿ ０ Ｎｏ ４ ｌ３ ．
ＮＯ ． Ｖ ２ ０ ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ｌ ｉ ｅ ｓ ｙ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＧ ｉ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ｉ ｔ
关 键词 ：填料 ；除磷 ；人工湿 地
中图分类 号 ：Ｘ ０ ７３ 文 献标 志码 ：Ａ
人工 湿 地 作 为 一 种 新 型 生 态 污 水 处 理 技 术 ， 结 油性 页 岩 。一 些 学 者 建 议 因地 制 宜 地 采 用 工 业
具有 低 投 入 、低 能 耗 、高效 脱 氮 除 磷 、易 操 作 等 废 料或 生 活 废 弃 物作 为 填 料 ，不 仅 降低 了湿 地 建 优点 ，它 可 以在 降解 污 染 物 的 同 时 ，改 善 和 美 化 造 成本 ，也 为 工 业及 生 活 废 弃 物 提 供 了再 次 利 用 周 围生态 环境 ，促 进 生 态 环 境 良性 循 环 ，有 显 著 的途径 。笔 者 选 用 了 炉 渣 、炉 灰 、蜂 窝 煤 渣 、新 的社会 、环 境 和经 济 效 益 。人 工 湿 地 对 污 水 中磷 型 填 料 （ Ｃ） ＷＳ 、碎 石 、牡 蛎 壳 为 人 工 湿 地 填 料 ，
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几种人工湿地基质材料对磷的吸附性能研究1明劲松, 王世和, 鄢 璐, 刘 洋模型和Freundlich模型都（分别为4374.5 mg/Kg）次之，土壤进水磷浓度不高于8mg/L透性差，不宜直接用作人工湿地填料，但可考虑将其作为人工合成除磷材料的原料。
关键词：人工湿地；基质；磷；吸附中图分类号：X703.1 文献标识码：A1. 引 言人工湿地（constructed wetlands）污水处理系统是一种由基质、微生物和湿地植物构成的独特生态系统，20世纪70年代以来已在许多国家得到推广使用[1]。
它具有处理效果显著、维护管理方便、基建与运行费用低及抗负荷冲击能力强等优点，较适合农村及小城镇使用[2]。
加强人工湿地对污染物的去除机理研究，探索出适合农村推广应用的人工湿地新技术，对于农村的生态环境建设具有积极的意义。
一些研究已表明，人工湿地通过基质的吸附、化学沉淀、微生物的利用、植物和藻类的吸收等作用去除污水中的磷。
其中，基质对磷的吸附是易于控制且较为主要的除磷机理[3]。
国内外许多学者研究了多种天然矿物、工业废渣等去除水中磷的效果和机理认为，因地制宜地选择或开发出对磷吸附能力强、水流阻力小、经济效益好的基质材料作为人工湿地的填料, 是强化人工湿地除磷效果的关键措施[4]。
本文研究了土壤、页岩、煤渣、钢渣和粉煤灰五种基质材料对磷的吸附性能，为人工湿地基质材料的选配提供了参考。
2. 材料与方法2.1 试验材料土壤(Soil)取自试验所在污水处理厂内的试验湿地；页岩(Shale)取自南京郊区某矿山，黄褐色块状固体；钢渣(Steel slag)取自南京某钢铁厂，灰褐色粉末状或块状固体；煤渣(Cinder)取自居民生活炉灶，灰黑色易碎多孔固体；粉煤灰（Fly ash）取自南京某发电厂，灰色粉末状固体。
各基质材料的主要化学成分见表1。
1 本课题得到国家自然科学基金资助(50278016)。
度分别为1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0，80.0，160.0，320.0mg/L的KH2PO4溶液（以P计）待用。
试验时，称取5g基质材料（钢渣、粉煤灰各为2g）与100mL溶液在锥形瓶中混合，20℃下振荡24h后离心，用钼锑抗分光光度法测定上清液磷浓度，每组试验重复三次。
根据磷浓度的变化计算基质材料对磷的吸附量，绘制各材料的吸附等温线。
2.3 模拟垂直流人工湿地处理生活污水的试验试验装置（即模拟垂直流人工湿地）见图1，填料柱由有机玻璃管制成，柱高0.85m，柱径0.15m。
试验用水采用城市污水处理厂初沉池出水，采用上向流进水。
共用三根装有不同基质材料的填料柱做平行对比试验，每根填料柱的水力负荷均采用Q=0.6m3/m2d。
图1 模拟垂直流人工湿地示意图Fig.1 Schematic diagram of semi-pilot scale vertical flow constructed wetlands3. 结果与分析吸附量q /m g K g -1平衡浓度Ce/mgL-10100200300400500600700平衡浓度Ce/mgL -1图3 钢渣、粉煤灰对磷的吸附等温线 Fig.3 Phosphate adsorption isotherms of steelslag and fly ash图2 煤渣、页岩及土壤对磷的吸附等温线Fig.2 Phosphate adsorption isotherms of cinder,shaleand soil 由图2可见，在煤渣、页岩、土壤三种材料中，煤渣对磷的吸附能力最强，页岩次之，而土壤对磷的吸附能力最弱。
由于土壤所含的成分与磷几乎不发生化学反应，所以对磷只具有较小的吸附量。
煤渣对磷的吸附等温线属于快速上升型，而页岩对磷的吸附等温线则较为平缓。
随着初始磷浓度的升高，煤渣对磷仍可维持在较高的吸附水平，而页岩对磷的去除率则相对较低。
材料所含的Ca 、Al 、Fe 等金属氧化物质进入水体后可生成氢氧化铁、氢氧化亚铁、氢氧化铝等絮凝体，这些絮凝体都可以吸附磷酸根离子，从而促进了对磷的去除[4]。
煤渣所含Ca 、Fe 、Al 等金属氧化物质虽不及页岩多，但由于其颗粒呈多孔结构，孔隙率大，具有巨大的比表面积，增加了溶液中的磷与固体表面的接触机会，从而促进了金属元素与磷的物理化学作用，因此较页岩具有更佳的吸附效果。
由图3可见，钢渣和粉煤灰对磷的吸附能力明显强于其它三种材料，这是由于钢渣、粉煤灰中含有的Ca 、Al 、Fe 等金属氧化物质的总量比其它材料都高。
用钢渣和粉煤灰作吸附剂，溶液的初始磷浓度较低时(0~40mg/L)，磷几乎全部被吸附，这种吸附具有化学吸附的特点。
从材料的化学成分看，除煤渣以外，各种材料的金属氧化物总含量与对磷吸附量呈显著正相关。
在全部试验材料中钢渣的除磷能力最强。
钢渣对磷的吸附曲线属急剧上升型。
钢渣为粉末状，具有多孔和巨大的比表面积，并由于钢渣粉末具有表面电荷和表面电势使其表面具有静电作用，故能吸附水中的一些离子，对磷具有较强的物理吸附能力。
试验中发现，钢渣表面出现了白色沉淀物，这是由于当溶液的pH 值较高时，Ca 2+离子与磷酸根离子容易形成非[5]。
粉煤灰中的Ca 、Fe 氧化物的含量较钢渣低，对磷的吸附效果不及钢渣。
但粉煤灰颗粒为独特的海绵状或空心球状结构，具有很大的比表面积，且富含Al 氧化物，因此粉煤灰对磷也具有良好的吸附效果。
有资料表明[6]，粉煤灰中的活性Si 也对磷酸盐具有吸附作用。
钢渣和粉煤灰都是燃烧物高温燃烧后产生的工业废料，经过这一高温过程，一些颗粒表面基团得到了活化，这也是两者都具有较高的对磷吸附能力的另一个原因。
为进一步说明各种基质材料对磷的吸附性能，分别用Langmuir 模型方程和Freundlich 模型方程拟合上述五种材料对磷的吸附曲线。
Langmuir 模型方程可以表示为：1=e e C C q a ab+式中，q —— 单位质量吸附剂吸附磷量，mg/kg ；a —— 最大磷吸附量，mg/kg ；C e —— 吸附平衡后溶液中磷的浓度，mg/L ；b —— 自由结合能常数，L/mg 。
Freundlich 模型方程可以表示为：1lg lg lg e f q C n =+K式中，q —— 单位质量吸附剂吸附磷量，mg/kg ；C e —— 吸附平衡后溶液中磷的浓度；n 、f K —— 模型常数。
基质 材料 拟和范围(m g L -1)Langmuir 方程直线形式C e /q=C e /a+1/ab相关系数r最大吸附量 a /(mg Kg -1)自由结合能 b /(L mg -1)最大缓冲容量ab/(L Kg -1)土壤 1~320 Y=0.0024140X+0.075854 0.978＊＊414.3 0.0318 13.2 页岩 1~320 Y=0.0002286X+0.025477 0.964＊＊4374.5 0.0090 39.3 煤渣 1~320 Y=0.0002235X+0.003405 0.994＊＊4474.3 0.0656 293.7 粉煤灰 1~1000 Y=0.0000562X+0.000764 0.997＊＊17793.6 0.0736 1309.4 钢渣1~1000 Y=0.0000417X+0.000538 0.987＊＊23980.8 0.0775 1858.7表2 五种基质材料的Langmuir 吸附模型方程式及特征参数Table.2 Langmuir adsorption constants and correlation coefficients for all five substrate materials r 0.01=0.797，r 0.05=0.666，n=9； r 0.01=0.707，r 0.05=0.576，n=12表3 五种基质材料的Freundlich 吸附模型方程式及特征参数Table.3 Freundlich adsorption constants and correlation coefficients for all five substrate materials基质 材料 拟和范围 (mg L -1) Freundlich 方程直线形式lgq=1nlgC e+lgKf相关系数r 1nfK土壤 1~320 Y=0.5393X+1.3776 0.997＊＊0.5393 23.9 页岩 1~320 Y=0.8466X+1.6371 0.995＊＊0.8466 43.4 煤渣 1~320 Y=0.8784X+2.1256 0.881＊＊0.8784 133.5 粉煤灰 1~1000 Y=0.4328X+3.1876 0.943＊＊0.4328 1540.3 钢渣1~1000Y=0.4149X+3.38410.889＊＊0.4149 2421.6r 0.01=0.797，r 0.05=0.666，n=9； r 0.01=0.707，r 0.05=0.576，n=12Langmuir 方程中， a 为材料的理论最大吸附量，钢渣对磷的理论最大吸附量最高，约为土壤的60倍。
将容量因子a 与强度因子b 相乘得最大缓冲容量ab ，其值的大小可综合反映材料的吸附性能。
五种材料的ab 值依次为钢渣>粉煤灰>煤渣>页岩>土壤，这与静态吸附试验所观测到的结果完全吻合。
Freundlich 方程中，f K 值可粗略地表示材料的吸附能力，钢渣、粉煤灰的f K 值明显高于其它三种材料；1n值可粗略地反映材料的吸附强度，其值在0.1～0.5之间时吸附容易进行，而大于2时则很难发生吸附。
由表3可见，钢渣和粉煤灰对水中的磷具有较强的吸附能力。
将f K 与Langmuir 方程中的 ab 进行相关性分析，发现f K 与ab 呈非常显著正相关（r = 0.994＊＊，r 0.01＝0.958，n ＝5），这表明两者都可以反映出上述材料对磷吸附能力的高低。
3.2 模拟垂直流人工湿地对生活污水中总磷的去除效果为了进一步考察上述材料对生活污水的除磷效果，在污水处理厂内设置了三根模拟垂直流人工湿地填料柱（见图1），分别填充钢渣、煤渣、页岩三种基质材料。
由于土壤对磷的吸附能力太低，粉煤灰颗粒的粒径太小，水流通透性差，故未将这两者列为填料柱的填充材料。
各填料柱进、出水TP 浓度及去除率的变化如图4、5所示。
T P 浓度/m g L -1运行历程/d去除率/％运行历程/d图4 各填料柱进、出水TP 浓度随运行历程变化Fig.4 Variation of TP concentrations in influent and effluent of the three columns during operation period 图5 各填料柱对TP 去除率随运行历程变化Fig.5 Variation of TP removal efficiency of the threecolumns during operation period 可见，钢渣对TP 的去除效果明显优于其它两种填料且能维持较长时间的除磷率，这与静态试验的结果相一致，平均去除率达到了84.5％。