活性炭和沸石吸附水體中氨氮的特性研究

氨氮是重要的水體污染物。如果水中氮含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、水生生物變化和水體污染。去除水體中氨氮的方法很多,人工濕地由于成本低、運(yùn)行簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于水體富營(yíng)養(yǎng)化污染治理。在人工濕地系統(tǒng)中,基質(zhì)起到了很重要的作用,基質(zhì)材料既可以攔截過(guò)濾污染物,也可以直接吸附或轉(zhuǎn)化污染物本研究選用顆粒性活性炭和天然沸石為吸附材料,通過(guò)等溫、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),研究活性炭和天然沸石對(duì)含氨氮污水的吸附特性,并在吸附材料達(dá)到吸附飽和后采用富集篩選的高效降解氨氮的微生物進(jìn)行原位生物再生,為活性炭和沸石更好地應(yīng)用于人工濕地脫氮提供理論基礎(chǔ),為利用吸附劑再生節(jié)約基質(zhì)材料提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1吸附劑類型吸附柱:圓柱形的有機(jī)玻璃濾柱,直徑為50mm,高為200mm。吸附劑:顆粒型活性炭(直徑為2~5mm),顆粒型沸石(直徑為5~10mm)。生物再生菌種:從北運(yùn)河沉積物中富集馴化得到的以氨氮為氮源的菌種模擬氨氮污水:葡萄糖1g/L;(NH1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1表面形態(tài)觀察及成分分析利用掃描電子顯微鏡(HITACHIS-3000N,Japan)對(duì)兩種吸附劑的表面形態(tài)進(jìn)行掃描觀察,并利用能量分散譜儀(EDS)對(duì)沸石成分進(jìn)行分析。1.2.2活性炭和沸石顆粒投加量的確定取150mL模擬氨氮污水于150mL具塞三角錐形瓶中,分別向其中投加不同量的活性炭和沸石顆粒。恒溫(28℃)振蕩(200r/min)24h后,靜置10min,0.45μm濾膜過(guò)濾,用納氏試劑分光光度法測(cè)定其氨氮(NH1.2.3活性炭-沸石顆粒投加量取150mL模擬氨氮污水于150mL具塞三角錐形瓶中,分別向其中投加10g活性炭和10g沸石顆粒。將錐形瓶置于恒溫振蕩箱中,恒溫(28℃)振蕩(200r/min),每隔一定時(shí)間取水樣,靜置后經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾,測(cè)定其NH1.2.4動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)在動(dòng)態(tài)吸附裝置1.2.5直接再生試驗(yàn)待動(dòng)態(tài)吸附裝置達(dá)到吸附飽和后,按0.05%的體積比向進(jìn)水中投加混合菌種進(jìn)行吸附材料的微生物原位再生2結(jié)果與分析2.1沸石的結(jié)構(gòu)和成分圖1和圖2為2種濕地基質(zhì)的電鏡掃描照片,可以看出活性炭和沸石表面都不均勻,均為多孔結(jié)構(gòu),孔隙率很高,具有較大的比表面積。表1為沸石的成分分析,其中CK表示C的K層的電子躍遷,其他同理。結(jié)果表明,沸石樣品的化學(xué)組成符合硅鋁酸鹽礦物的組成特征。2.2吸附作用的研究圖3所示為活性炭和沸石對(duì)NH在水處理中,主要用Langmuir和Fruendlich吸附等溫式來(lái)描述吸附作用本研究中,活性炭和沸石的Freundlich吸附等溫式擬合度明顯高于Langmuir吸附等溫式擬合度,分別為0.9783和0.9303,非常接近1。這主要是因?yàn)榛钚蕴亢头惺谋砻娌痪鶆蚯覟槎鄬游?再者,沸石對(duì)氨氮的吸附不僅僅是物理吸附,還有離子交換的共同作用。從圖3看出沸石對(duì)NH2.3靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)圖4所示為活性炭和沸石對(duì)NH式中:Q為吸附量(mg/g),t為時(shí)間(h)?？梢钥闯?沸石對(duì)NH2.4動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)本研究的動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程中,沸石對(duì)NH結(jié)合上述等溫吸附、靜態(tài)吸附和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn),沸石對(duì)水中NH2.5活性炭和沸石柱的電鏡掃描觀察對(duì)達(dá)到吸附飽和后的活性炭和沸石進(jìn)行微生物原位再生,結(jié)果出水NH活性炭和沸石的多孔道結(jié)構(gòu)非常適合微生物的附著,并形成生物膜,微生物可以利用有機(jī)碳源轉(zhuǎn)化NH吸附柱各處生物膜量結(jié)果如表3所示。由表3可知,在活性炭柱和沸石柱中生物膜量從進(jìn)水端處沿水流方向逐漸減少。上述現(xiàn)象主要是由于微生物進(jìn)行反應(yīng)耗氧而使水中溶解氧沿水流方向降低,而溶解氧是微生物降解有機(jī)物和進(jìn)行硝化反應(yīng)的重要條件生物再生實(shí)驗(yàn)后,對(duì)活性炭和沸石表面進(jìn)行電鏡掃描觀察,結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。與圖1和圖2相比,再生后的活性炭和沸石表面有很大變化,孔隙及其周圍均附著有大量微生物,如絲狀菌、球狀菌和桿狀菌等。在活性炭和沸石表面固著生長(zhǎng)的生物膜和絮體,可以不斷氧化NH3活性炭和沸石的等溫吸附(1)活性炭和沸石表面均具備多孔結(jié)構(gòu),是良好的生物載體材料。(2