几种人工湿地基质材料对磷的吸附性能研究

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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：A

1. 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 wetlands

3. 结果与分析

吸附量q /m g K g -1

平衡浓度Ce/mgL

-1

0100200300400500600700

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 steel

slag 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,shale

and 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：

1

lg 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