王小強(qiáng) 馬曉穎

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西西安 710054;2.中國(guó)電力顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院，陜西西安 710075)

1 概述

隨著社會(huì)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(chǎng)所的水景及城市內(nèi)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?fàn)顟B(tài)，再加上景觀水體水位淺，使得整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，自凈能力嚴(yán)重不足。因此景觀水體中氨氮、磷含量通常較高，給藻類生長(zhǎng)提供了大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，致使水中藻類爆發(fā)，富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)不斷加重。若長(zhǎng)時(shí)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(huì)對(duì)周圍居民正常生活造成嚴(yán)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(zhì)，快速經(jīng)濟(jì)地恢復(fù)其在城市生活中的生態(tài)功能和美學(xué)價(jià)值，成為城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)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(diǎn)。

處理景觀水體常用到的方法有物理覆蓋、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)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(xué)者研究結(jié)果表明，沸石通過吸附、攔截等作用對(duì)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(guó)沸石儲(chǔ)量相對(duì)較大，開采工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，吸附飽和失效后可通過簡(jiǎn)單方法再生以便重復(fù)使用，且易于實(shí)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(jì)高效，便于實(shí)現(xiàn)等眾多優(yōu)點(diǎn)［11］。天然沸石以二氧化硅為其主要化學(xué)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(jié)構(gòu)及蘊(yùn)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)開始前，用蒸餾水將所購沸石洗凈，并在105℃的烘箱內(nèi)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(xué)成分如表1所示。

表1 某景觀水原水水質(zhì)

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)沸石去除氨氮隨時(shí)間變化:動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。以50 mL的離心管為反應(yīng)容器，將1 g準(zhǔn)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?fù)u床震蕩(溫度設(shè)定室溫 25 ℃)，實(shí)驗(yàn)開始后分別于 5 min，10 min，30 min，1 h，2 h，6 h等時(shí)刻取水樣，直至達(dá)到去除平衡，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測(cè)定水樣中剩余氨氮濃度值，直到沸石吸附氨氮達(dá)到平衡為止。

2)初始氨氮濃度對(duì)沸石吸附的影響:等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究。同樣以50 mL的離心管為反應(yīng)容器，將1 g準(zhǔn)備好的沸石填料置于其中，在不同反應(yīng)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?fù)u床震蕩(溫度設(shè)定為25℃)，根據(jù)1)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，反應(yīng)振蕩進(jìn)行72 h后取出反應(yīng)容器，將水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測(cè)定水樣中剩余氨氮濃度值。

3)不同溫度對(duì)沸石吸附氨氮效果的影響。以50 mL的離心管為反應(yīng)容器，將1 g準(zhǔn)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?fù)u床震蕩，設(shè)置恒溫震蕩搖床溫度分別為10℃，15℃和25℃，反應(yīng)振蕩進(jìn)行72 h后取出反應(yīng)容器，將水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測(cè)定水樣中剩余氨氮濃度值。

3 結(jié)果與討論

3.1 沸石去除氨氮隨時(shí)間變化:動(dòng)力學(xué)研究

如實(shí)驗(yàn)方法1)中所述，每隔一定時(shí)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(jìn)行吸附動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究的反應(yīng)容器離心管，測(cè)定水樣中剩余氨氮濃度值，計(jì)算其相應(yīng)去除率，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，初始階段，沸石對(duì)氨氮吸附量迅速增加，振蕩反應(yīng)進(jìn)行3 000 min后，隨時(shí)間延長(zhǎng)，吸附量增加速度減緩，此時(shí)最高去除率高于90%。

3.2 初始氨氮濃度對(duì)沸石吸附的影響:等溫吸附研究

再如實(shí)驗(yàn)方法2)中所述，選取吸附時(shí)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(duì)吸附效果的影響，測(cè)定結(jié)果如圖2所示。在圖2中用q表示固體在溶液中吸附質(zhì)吸附的能量大小，即吸附量，通過以下公式計(jì)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(zhì)量，g。

對(duì)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(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)照(如圖3，圖4所示)。由圖3，圖4可見，研究結(jié)果更符合朗格繆爾(Langmuir)公式，因此，本研究所選取的沸石在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)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(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)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(dòng)態(tài)平衡等為基本假設(shè)，認(rèn)為固體表面對(duì)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(yàn)公式，這是其用于溶液吸附時(shí)的最大缺點(diǎn)［7］。

3.3 不同溫度對(duì)沸石吸附氨氮效果的影響

不同溫度對(duì)沸石吸附氨氮效果的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，在實(shí)驗(yàn)所選溫度范圍內(nèi)(10℃，15℃和25℃)，沸石的吸附量隨反應(yīng)溫度升高而升高。從10℃變至15℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)所選沸石對(duì)氨氮去除率隨溫度升高緩慢增加;溫度為25℃時(shí)，去除率迅速達(dá)到93.4%。由此可見在實(shí)驗(yàn)所選三個(gè)溫度中(10℃，15℃，25℃)25℃時(shí)，沸石對(duì)氨氮的去除率最高，最高去除率為93.4%。

4 結(jié)語

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

［1］孫麗娟，費(fèi)壽娥，曹緒峰.城市景觀水生態(tài)修復(fù)方法研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)［J］.金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24(2):77-80.

［2］梁燕珍，孫國(guó)萍，岑英華，等.生物技術(shù)在微污染景觀水處理中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28(2):88-90.

［3］杜文華，芮 旻，陳 斌.城市景觀水污染現(xiàn)狀及處理技術(shù)［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2006(2):11-14.

［4］王 琳，李 季，康文力，等.城市景觀水體的生物修復(fù)技術(shù)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(4):1569-1570，1572.

［5］孫 健.城市景觀水體污染現(xiàn)狀及其修復(fù)對(duì)策［J］.雞西大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，9(5):149-150.

［6］李立欣，戰(zhàn) 友.河湖底泥修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.黑龍江環(huán)境通報(bào)，2008，32(4):27-29.

［7］張淑紅，劉秀花，王 莉，等.景觀水修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25(9):109-111，118.

［8］鄒許鑫，羅卓英，呂 燕.淺論生態(tài)景觀水體污染原因和治理方法［J］.有色金屬設(shè)計(jì)，2008，35(4):77-80.

［9］陳 超，梁 卓，李小燕，等.生態(tài)修復(fù)在景觀水體治理中的應(yīng)用［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，16(1):136-138，179.

［10］胡振華，解明曙，王治國(guó).晉西黃土殘塬區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)模式探討［J］.水土保持研究，2003(2):126-130.

［11］溫東輝，唐孝炎，馬倩茹.天然沸石銨吸附容量研究［J］.安全與環(huán)境工程，2003，16(2):31-34.

［12］朱 俊，王 寧.天然沸石在環(huán)保中的應(yīng)用［J］.礦物學(xué)報(bào)，2003，23(3):250-254.

［13］張寧克，魏 薇.吉林省沸石的性質(zhì)與應(yīng)用［J］.吉林地質(zhì)，2004(3):72-81.