5种填料对污水中氮磷的吸附特性

5种填料对污水中氮磷的吸附特性

随着经济的快速发展，生活水平不断提高。近年来，由于农业肥料、家禽粪便、废水和生活污水的排放，水生生活中的富营养化问题日益突出。人工湿地是一种结构简单、操作方便、具有生态性的一种污水处理技术人工湿地中湿地填料是其重要的组成部分,填料的吸附作用能极大的提高污水处理的效果。目前,人工湿地填料种类较多,主要有砾石、沸石、陶粒、陶结、页岩、火山石、碎石、钢渣、无烟煤、煤渣、砖块等本文以沸石、陶粒、火山岩、轮胎颗粒、蛭石5种材料为研究对象,模拟污染水体,通过填料对氮磷的等温吸附、吸附动力学、去除率等的拟合与计算,分析填料对氮磷的吸附特性和处理污水效果,为选择经济实用的人工湿地填料提供合理的依据。1实验部分1.1u3000实验用水沸石,陶粒,轮胎颗粒,火山岩,蛭石(所有填料粒径为2~4mm,由清水洗净并烘干);实验用水为自配水。DR500、DR2800型分光光度计;THZ-98恒温振荡器;HY-6A数显双层调速多用振荡器;DGF25012C电热鼓风干燥箱。1.2实验方法1.2.1标准曲线nh质量浓度nh用天平称取10g填料9份,分别放入9个250mL锥形瓶中,各加入100mL质量浓度为10,20,40,60,80,100,120,140,160mg/L的NH1.2.2吸附动力学实验为考察5种填料对污水的吸附效果1.3填料吸附氮磷动力学模型填料对氮磷的等温吸附一般采用Langmuir方程和Freundlich方程来拟合,其中Langmuir公式是根据吸附的物质只有一层分子厚的假定推导出来的理论公式,Freundlich公式则为介于单层分子与多层分子之间的经验公式Langmuir模型方程Freundlich模型方程式中cq填料对氮磷的动态吸附实验进行吸附动力学模型拟合。一级动力学方程lnq=a+ktElovic方程q=a+klnt式中q———填料氮磷的吸附量,mg/kg;t———吸附时间,h;2结果与讨论2.15填料的等温吸附特性沸石、陶粒、轮胎颗粒、火山岩、蛭石5种填料经过48h振荡吸附后,各填料对氮磷的吸附结果绘制成等温吸附曲线见图1。由图1a可知,沸石对氨氮的吸附量最大,对氨氮吸附能力由强到弱排序,依次为沸石>蛭石>火山岩>陶粒>轮胎颗粒。沸石的吸附等温吸附曲线斜率较大,其余填料吸附过程中当平衡氨氮的质量浓度<40mg/L时,等温吸附曲线斜率较大,填料对氨氮的吸附量迅速增加;氨氮的质量浓度在40~80mg/L时,曲线的斜率逐渐变小,此时填料对氨氮的吸附量缓慢增加;当氨氮的质量>80mg/L时,填料对氨氮的吸附逐渐趋于平衡。由图1b可知,陶粒对磷的吸附量最大,当平衡时磷的质量浓度>20mg/L时,不同填料吸附能力由强到弱排序,依次为陶粒>火山岩>蛭石>沸石>轮胎颗粒,当磷的质量浓度<20mg/L时,蛭石的吸附量则要大于火山岩,此时火山岩曲线的斜率要小于蛭石曲线的斜率;5种填料中,陶粒、火山岩、蛭石和沸石的等温吸附曲线的斜率都是先增大后减小,即吸附速率从快到慢,直至平衡,而轮胎的等温吸附曲线的斜率变化较平缓,吸附速率变化不大。将各填料对氮磷的等温吸附曲线用Langmuir和Freundlich公式拟合结果见表1和表2。由表1可知,Langmuir(R由表2可知,Langmuir(R2.25填料对磷的等温吸附根据各填料对氮磷的动态吸附实验结果,绘制5种填料的吸附动力学曲线见图2。由图2可知,各填料对氮磷的吸附速率随着时间的增加呈现出先快后慢,直至缓慢平衡的整体趋势。由图2a可知,在0~24h时,填料对氨氮的吸附速率较快,吸附曲线呈现上升趋势,沸石和蛭石基本达到吸附平衡;在24~96h时,填料对氨氮的吸附量逐渐增加,吸附速率越来越小直至为0,48h时陶粒、火山岩和轮胎颗粒达到吸附平衡。由图2b可知,在0~24h时,填料对磷的吸附速率较快,24h时轮胎颗粒、蛭石和火山岩基本达到吸附平衡;在24~96h时,填料对磷的吸附速率减缓,48h时陶粒和轮胎颗粒达到吸附平衡。可以看出各填料对磷的吸附过程分为快、中、慢三个阶段,表明填料的表面都存在高、中、低能量的吸附位点由表3和表4可知,双常数方程和Elovich方程能较好的拟合各填料对氮磷的吸附过程,除轮胎颗粒外,相关系数均达到0.83以上;一级动力学方程只对部分填料的氮磷吸附过程拟合较好,其相关系数均小于其他两个动力学模型拟合后的相关系数。由于一级动力学方程主要适用于扩散机制控制的动力学过程,双常数方程适用于反应复杂的动力学拟合,Elovich方程适合多种反应机制但更适合于反应过程中活化能变化较大的反应机制由图3可知,5种填料对氨氮去除率均达到75%以上,其中沸石去除率最高,为97.42%,其次为蛭石去除率达94.97%,去除率由大到小排序为:沸石>蛭石>火山岩>陶粒>轮胎颗粒;5种填料中对磷去除最明显的为轮胎颗粒,去除率达99.45%,其次为蛭石达75.72%,去除率由大到小排序为轮胎颗粒>蛭石>陶粒>沸石>火山岩。总体来说,处理农村富营养化水体时,沸石除氮能力较强,轮胎颗粒除磷能力较强;轮胎颗粒和蛭石对氮磷的吸附效果存在一定优势,而轮胎颗粒由废旧轮胎加工而成,成本远远小于蛭石,因此,从吸附效果和经济适用的角度来看,轮胎颗粒为人工湿地填料较好的选择之一。3填料对氮磷的等温吸附(1)5种填料对氮磷的吸附均能用Langmuir和Freundlich方程来拟合。理论上各填料对氨氮的吸附量从大到小依次为沸石>火山岩>蛭石>陶粒>轮胎颗粒;对磷的吸附量从大到小依次为陶粒>火山岩>蛭石>沸石>轮胎颗粒。(2)双常数方程和Elovich方程都能较好的拟