生物炭和混凝土渣在人工湿地中除磷效应的对比

王煜钧; 王若凡; 汪文飞; 盛杨; 刘傲展

doi:10.12030/j.cjee.202002003

生物炭和混凝土渣在人工湿地中除磷效应的对比

兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070

作者简介: 王煜钧(1996—)，男，硕士研究生。研究方向：人工湿地污水处理。E-mail：wangyujun4948@163.com

通讯作者: 王若凡(1983—)，女，博士，副教授。研究方向：人工湿地污水处理。E-mail：wangruofan@mail.lzjtu.cn;

基金项目:
国家自然科学基金资助项目(51969011)；兰州交通大学青年基金资助项目(2017008)；兰州交通大学大学生创新创业训练计划项目(2019056)
中图分类号: X131.2

Comparation of phosphorus removal effect of biochar and concrete slag in constructed wetland

School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China

Corresponding author: WANG Ruofan, wangruofan@mail.lzjtu.cn ;

摘要: 为了寻找适合西北农村地区人工湿地的除磷填料，结合西北地区温度特征，对混凝土渣和生物炭2种填料的除磷效应进行了对比研究；基于等温吸附实验和动力学吸附实验，构建了2种静态潜流人工湿地；通过模拟运行，对比验证了2种填料对生活污水中磷酸盐( ${{\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P)的去除效果和稳定性。结果表明：与生物炭相比，混凝土渣对 ${ {\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P吸附作用较好，吸附速率最快、吸附量最高达到了2.206 mg·g⁻¹；混凝土渣对 ${{\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P吸附既有单层吸附，又有多层吸附，说明其吸附过程是非均匀的，而生物炭对 ${{\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P的吸附多为单层吸附；在加入生活污水且 ${{\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P平均浓度为4.6 mg·L⁻¹的条件下，水力停留时间(HRT)达到24 h后，混凝土渣湿地和生物炭湿地对 ${{\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P的去除率分别达到了94.86%和86.37%。综合对比，混凝土渣更适宜作为西北地区潜流人工湿地除磷填料。以上研究结果可为人工湿地除磷提供选材参考。
- 西北地区 /
- 磷的去除 /
- 人工湿地
Abstract: In order to find the phosphorus removal filler suitable for constructed wetlands in the Northwest rural areas, in combination with the temperature characteristics in the northwest China, the phosphorus removal effects of concrete slag and biochar were compared in this study. Based on isothermal adsorption and kinetic adsorption experiments, two static subsurface flow constructed wetlands were constructed. Through the simulation operation, the phosphorus ( ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P) removal effects and stability from domestic sewage by these two fillers were tested and verified by comparison. The results showed that compared with biochar, the concrete slag performed better on ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P adsorption with the fastest adsorption rate and the largest adsorption amount of 2.206 mg·g⁻¹. The ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P adsorption by concrete slag contained both single-layer and multi-layer adsorption, indicating a non-uniform adsorption process, while the ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P adsorption by biochar mostly belonged to single-layer adsorption. At the average concentration of influent ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P with 4.6 mg·L⁻¹, the ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P removal rates of concrete slag wetlands and biochar wetlands reached 94.86% and 86.37%, respectively when the hydraulic retention time (HRT) reached 24 h. By the comprehensive comparison, it is feasible to use the concrete slag as the filler for phosphorus removal by the subsurface flow constructed wetland in the northwest. The above research can provide reference for phosphorus removal material selection in constructed wetland.
- Northwestern region /
- phosphorus removal /
- constructed wetlands

城市地表灰尘是一种物质组成和来源复杂的环境介质，是城市环境中重金属等污染物质的源汇载体^[1-2]。重金属作为一种潜在有毒污染物，具有环境持久性、难以降解性和有毒性等特点^[3]。重金属微粒可以跟随地表灰尘在一定的动力条件下通过再悬浮过程进入大气，还可以通过淋洗和径流等作用污染地表水和地下水，通过食物链循环、呼吸吸入、皮肤直接接触、手-口摄入等途径进入人体^[4]，危害环境系统和人类健康^[5-6]。

公园作为现代城市建设中不可或缺的一部分，承载着市民和旅游者休闲、锻炼、社交和传播集体文化的功能，特别是在如今快节奏的城市生活中，扮演着市民放松和缓解压力“避难所”的角色^[7]。而对于工业化以来日渐严重的环境污染、城市热岛效应、雾霾天气等城市病，城市公园也起着吸烟滞尘、调节城市小气候、维系城市生态平衡等多种生态功能^[8]。对于放松警惕和戒备心来到公园游玩的人们而言，评价城市公园灰尘重金属污染状况就成了评价城市生态环境质量的一个重要方面^[9]。近年来国内已经开展了一些关于公园灰尘重金属的研究，研究成果涉及公园灰尘重金属的污染特征^{[4, 9-11]}、形态分布^[12]、粒径效应^[13]、磁性特征^[14]、健康风险评价^[15-17]以及生物有效性^[17]等方面。研究对象均为单个城市，对城市公园灰尘重金属含量在全国范围内的空间分布特征及富集状况对比，以及社会经济发展状况对公园灰尘重金属的影响，目前还鲜见报道。而对全国公园灰尘重金属的研究，可以从宏观尺度上了解中国城市公园灰尘的重金属空间分布特征，对认识自然和人为的影响作用具有重要意义，为城市居民健康防护和城市环境管理规划提供科学依据。

本研究汇总了从2002年到2018年中国15个城市有关公园灰尘重金属的数据^{[4, 7, 9-21]}，对城市公园灰尘重金属含量进行空间分析，利用累积指数分析其富集状况，对社会经济发展指标与公园灰尘重金属含量进行相关性分析，并对其影响因素进行了探讨。

1. 材料与方法(Materials and methods)

1.1 材料来源

本研究从公开发表的相关文献中，收集了2002—2018年间中国城市公园灰尘中重金属含量数据^{[4, 7, 9-21]}，主要收集的重金属元素有Cr、Cu、Zn、Pd、Ni和Cd等 6种元素。共收集到有关Cr、Cu、Zn、Pd、Ni和Cd含量的研究数据分别为14个、15个、14个、14个、12个和10个，数据均选用其平均值。收集的数据中研究区域包含上海市^[4]、北京市^[7]、包头市^[9]、天津市^[10]、福州市^[11]、青岛市^[12]、长春市^[13]、武汉市^[14]、开封市^[15]、西安市^[16]、焦作市^[17]、乌鲁木齐市^[18]、南京市^[19]、东莞市^[20]和漳州市^[21]。社会经济发展指标数据摘自各城市国民经济与社会发展公报以及各城市统计年鉴^[22-36]，因当年社会经济发展的影响主要在后期的灰尘污染中表现^[37]，故本文以各城市公园采样时间前一年的社会经济数据，文献中没有说明采样时间的则以发表时间前一年的社会经济数据，与公园灰尘重金属含量进行相关性分析。数据包括∶总人口、地区生产总值、工业生产总值、原煤、民用汽车拥有量，其中长春、西安、福州的原煤无数据，武汉市的民用汽车拥有量无数据。本文城市公园灰尘的重金属表格数据采用Excel 2019完成，运用SPSS19.0统计软件对社会经济发展指标与重金属元素的相关性进行处理和统计分析。

1.2 研究方法

累积指数法为评价灰尘重金属的累积现状，以各省份土壤重金属背景值为基准，累积指数^[38]按下式计算∶

${I}_{i}=\frac{{C}_{i}}{{C}_{j}}$

式中， ${I}_{i}$ 为元素累积指数， ${C}_{i}$ 为重金属符合正态分布的平均浓度， ${C}_{j}$ 为对应各省区重金属元素的土壤背景值。 $i$ 表示Cr、Cu、Zn、Pd、Ni和Cd 的6种元素。

2. 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 公园灰尘重金属的空间分布

从表1可以得出，公园灰尘中Cr元素的最高值位于东莞市，为2874.10 mg·kg⁻¹，最低值位于乌鲁木齐市，为51.56 mg·kg⁻¹。同时，Cr 含量的高值区分布于东部地区的上海市、南京市以及中部地区的包头市等地，东北地区的长春市、中部地区的开封市和武汉市等地为低值区。Cu元素的最高值为627.40 mg·kg⁻¹，出现在东莞市，最低值出现在包头市，值为26.90 mg·kg⁻¹，其高值区主要分布在东部地区，而低值区为西北地区的乌鲁木齐市、东北地区的长春市和中部地区的包头市、开封市、武汉市等地。Zn含量的最高值出现在东莞市，为4733.10 mg·kg⁻¹，最低值为49.70 mg·kg⁻¹出现在包头市，其高值区主要出现在东部地区和中部地区，低值区与Cu元素的低值区相似。Cr、Cu和Zn元素的最高值均出现在东莞市城市公园灰尘中，可能主要受到莞城区公园辖区内莞城工业科技园以及交通流的影响^[20]。Pb的最高值为416.63 mg·kg⁻¹，出现在上海市，其高值区分布在东部地区的北京市、南京市和中部地区的西安市、开封市等地区，而最低值出现在包头市值为36.20 mg·kg⁻¹，其低值区分布在西北地区的乌鲁木齐市和中部地区的焦作市等地区。包头市城市公园灰尘中Cu、Zn和Pb元素含量最低，明显低于其他城市，这可能与其他城市有较高的交通流有关^[9]。Ni的高值区主要位于东部地区，最高值出现在南京市，为115.00 mg·kg⁻¹，其低值区主要位于东北地区，最低值出现在长春市，值为23.08 mg·kg⁻¹。Cd含量的最高值和最低值分别为1.92 mg·kg⁻¹和0.30 mg·kg⁻¹，出现在南京市和乌鲁木齐市，高值区出现在东部地区，如青岛市和上海市等地，低值区则出现东北地区和西北地区。城市公园灰尘中Ni和Cd元素的最高值均出现在南京市，可能与其能源使用模式——燃煤以及交通有关^[19]。

表 1 公园灰尘样点数据统计

Table 1. Statistics of park dust samples

城市City	采样时间Sampling time	样品量Sample amout	重金属含量/（mg·kg⁻¹)Heavy metal content						数据来源Data sources
城市City	采样时间Sampling time	样品量Sample amout	Cr	Cu	Zn	Pb	Ni	Cd	数据来源Data sources
上海	—	44	162.59	235.89	906.29	416.63	92.19	1.58	[4]
北京	2010年4—7月	50	69.33	72.13	219.2	201.82	25.97	0.64	[7]
包头	2014年5月	26	154.1	26.9	49.7	36.2	25.1	—	[9]
天津	2012年11—12月	51	103.18	113.18	—	63.32	40.58	1.14	[10]
福州	2011年6月和11月	11	78.21	111.04	386.62	73.81	—	0.58	[11]
青岛	—	128	—	109.27	326.88	126.02	—	1.79	[12]
长春	2013年6月	28	59.28	37.82	169.26	69.12	23.08	0.33	[13]
武汉	2002年9月	58	64.1	58.4	313.35	85.5	25.8	—	[14]
开封	2014年3月	52	53.25	44.29	240.27	144.84	23.15	1.02	[15]
西安	2009年4—5月	20	125.2	91	337.2	147.4	35.8	—	[16]
焦作	2016年2月	41	112.07	49.85	374.3	55.26	51.7	1.25	[17]
乌鲁木齐	2017年10—11月	83	51.56	29.66	184.3	36.6	31.59	0.3	[18]
南京	2014年6月	60	133	141	585	119	115	1.92	[19]
东莞	—	31	2874.1	627.4	4733.1	—	—	—	[20]
漳州	2018年11月	83	61.74	77.89	379.95	71.74	25.2	—	[21]

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从整体上来看，Cr、Cu、Zn、Cd 的4种重金属含量的空间分布具有相似性，东部地区为高值区，东北地区和西北地区为低值区；Pb和Ni具有相似的空间分布特征，东部地区和中部地区为高值区，西北地区则为低值区。在全国范围内，东部地区的公园灰尘重金属含量普遍较高，特别是东南沿海的东莞市、南京市和上海市等地。

2.2 公园灰尘重金属的累积水平

根据收集的15个城市公园灰尘重金属数据，查阅资料获取所需的各省、直辖市以及自治区重金属元素的土壤背景值（涉及新疆维吾尔自治区^[18]、内蒙古自治区^[39]、吉林省^[40]、北京市^[7]、天津市^[10]、山东省^[41]、河南省^[17]、陕西省^[16]、江苏省^[42]、上海市^[4]、福建省^[43]和广东省^[20]），将城市公园灰尘重金属含量与土壤背景值进行对比，并利用累积指数法计算出各城市公园灰尘重金属元素的累积水平(表2)。

表 2 城市公园灰尘重金属浓度累积指数

Table 2. city park dust concentration of heavy metal accumulation index

城市City	Cr		Cu		Zn		Pb		Ni		Cd
城市City	背景值/(mg·kg⁻¹)Background value	累积指数Accumulation index	背景值/(mg·kg⁻¹)Background value	累积指数Accumulation index	背景值/(mg·kg⁻¹)Background value	累积指数Accumulation index	背景值/(mg·kg⁻¹)Background value	累积指数Accumulation index	背景值/(mg·kg⁻¹)Background value	累积指数Accumulation index	背景值/(mg·kg⁻¹)Background value	累积指数Accumulation index
上海	75	2.17	28.59	8.25	86.1	10.53	25.47	16.36	31.9	2.89	0.13	12.15
北京	66.7	1.04	18.7	3.86	57.5	3.81	24.6	8.2	26.8	0.97	0.12	5.33
包头	56.4	2.73	19.2	1.4	55.7	0.89	18.8	1.93	24.5	1.02	0.045	—
天津	84.2	1.23	28.8	3.93	79.3	—	21	3.02	33.3	1.22	0.09	12.67
福州	41.3	1.89	21.6	5.14	82.7	4.67	34.9	2.11	13.5	—	0.054	10.74
青岛	62	—	22.6	4.83	63.3	5.16	23.6	5.34	27.1	—	0.132	13.56
长春	50.17	1.18	17.96	2.11	59.47	2.85	20.4	3.39	23.07	1	0.09	3.61
武汉	90	0.71	32	1.83	79	3.97	25	3.42	40	0.65	0.12	—
开封	65.7	0.81	19.9	2.23	61.9	3.88	25.4	5.70	30	0.77	0.07	14.57
西安	62.5	2	21.4	4.25	69.4	4.86	21.4	6.89	28.8	1.24	0.094	—
焦作	65.7	1.71	19.9	2.51	61.9	6.05	25.4	2.18	30	1.72	0.07	17.86
乌鲁木齐	49.3	1.05	26.7	1.11	68.8	2.68	19.4	1.89	26.6	1.19	0.12	2.5
南京	76	1.75	22.3	6.32	73	8.01	26.8	4.44	32.9	3.5	0.151	12.72
东莞	50.5	56.91	17	36.91	51	92.81	36	—	27.7	—	0.04	—
漳州	41.3	1.49	21.6	3.61	82.7	4.59	34.9	2.06	13.5	1.87	0.054	—

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参照中国各省份的土壤背景值，通过累积指数法，得出各城市公园灰尘中Cr、Cu、Zn、Pb、Ni和Cd的累积程度。其中，累积指数小于1则表示无累积情况，大于1时越接近于1则表示累积程度越低^[14]。如表2所示，各城市公园灰尘中Cu、Pb、Cd的累积指数均大于1，表明各城市公园灰尘中这3种重金属元素的含量均超过各省的土壤背景值存在累积状况，累积程度最高的为Cd，焦作市城市公园灰尘中Cd元素的累积指数最大，达到17.86，而且大部分城市公园灰尘Cd的累积指数均达到10倍以上。上海市城市公园灰尘中Pb元素的累积程度超过其土壤背景值的10倍以上，累积指数达到16.36，为Pb含量的最高累积水平。Cu在东莞市的累积情况最为严重，累积指数为36.91，其次为上海市（8.25）。除武汉市和开封市以外，各城市公园灰尘中Cr的累积指数均大于1，表现出绝大多数城市公园灰尘中Cr均有不同程度的累积，最高的累积指数出现在东莞市，达到56.91。除包头市Zn元素的累积指数小于1以外，其他城市公园灰尘中Zn的累积指数均大于1，其中东莞市和上海市的累积指数达到10倍以上，分别为92.81和10.53。北京市、武汉市和开封市城市公园灰尘中Ni元素的累积指数分别为0.97、0.65和0.77，表明其无累积情况，并且其他城市公园灰尘中Ni的累积指数均小于4，表明其累积程度相对较低。

根据中国三大经济地带的划分将公园灰尘中重金属的空间分布分为西部、中部和东部3个区域^[44]，西部区域包括乌鲁木齐市；中部区域包括包头市、长春市、西安市、开封市、焦作市、武汉市；东部区域包括北京市、天津市、青岛市、南京市、上海市、福州市、漳州市、东莞市，对公园灰尘中重金属的累积状况进行分析（图1）。从图1中可以看出，Cr、Cu、Zn、Pb、Cd累积水平在3个分区的排序均为∶东部>中部>西部，差异水平较大，尤其是Cr、Cu、Zn东部的累积水平显著大于中部和西部。但3个分区中Ni的累积水平排序为∶东部>西部>中部，其差异水平较小。公园灰尘中Cr、Cu、Zn、Pb、Ni、Cd 等6种重金属均表现为东部累积水平最高，说明东部的累积状况受到人为活动影响相对较大。

图 1 中国西、中、东部公园灰尘重金属累积水平

Figure 1. The accumulation level of park dust heavy metals in western, central and eastern regions of China

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2.3 社会经济发展对公园灰尘重金属污染的影响

为探究各城市社会经济发展状况对城市公园灰尘重金属的影响，本文选取了总人口、地区生产总值、工业生产总值、原煤、民用汽车拥有量五个经济发展指标，以期从人口、经济、工业、能源、交通5个方面探讨社会经济发展对公园灰尘重金属累积的影响。

社会经济发展指标与公园灰尘重金属含量间的相关性分析表明，Pb与总人口呈显著正相关，相关系数为0.628；Cu、Zn与原煤呈显著正相关，相关系数分别为0.626、0.765，说明能源消费方式尤其燃煤对重金属Cu、Zn元素的影响较大；Pb、Ni与民用汽车拥有量呈显著正相关，相关系数分别为0.566、0.644，说明灰尘重金属Pb、Ni元素的含量与交通有关。灰尘重金属Pb元素与5个经济指标的相关性都较显著，说明城市公园灰尘中Pb元素的含量易受城市活动的干扰，社会经济发展状况对其影响较大。其他经济发展指标和公园灰尘重金属的相关性及其系数如表3所示。

表 3 公园灰尘重金属与经济发展的相关关系

Table 3. Correlation between heavy metal and economic development in different cities

	总人口Total population	地区生产总值Gross domestic product	工业总产值Gross industrial output value	原煤Coal	民用汽车拥有量Possession of civil vehicles
Cr	−0.077	−0.142	−0.180	0.503	−0.101
Cu	0.153	0.059	−0.003	0.626^*	0.082
Zn	0.023	−0.066	−0.121	0.765^**	−0.137
Pb	0.628^*	0.343	0.460	0.304	0.566^*
Ni	0.178	0.291	0.144	0.409	0.644^*
Cd	0.189	0.222	0.110	0.380	−0.057
注∶^** 在 0.01 级别（双尾），相关性显著，P<0.01。^* 在 0.05 级别（双尾），相关性显著，P<0.01。

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从表3中可以看出，除Pb与总人口呈显著正相关外，其他重金属元素与总人口的相关性不显著；6种灰尘重金属元素与地区生产总值的相关性均不显著，Pb与地区生产总值的相关系数最大，仅为0.343。已有研究表明^[45]，地表灰尘重金属的含量与城市人口和经济发展程度呈正相关。公园灰尘中6种重金属元素的含量并未都与城市人口和经济发展程度呈正相关，有的甚至呈负相关，如Cr与总人口、Cr与地区生产总值、Zn与地区生产总值，这可能是因为，随着经济发展阶段的变化，经济发展更加注重环境效益，在发展的同时不能再以牺牲环境为代价，追求高质量发展。相关性分析表明，工业总产值与6种灰尘重金属元素的相关性均不显著，且与Cr、Cu、Zn呈负相关；民用汽车拥有量除与Pb和Ni呈显著正相关外，与其他重金属元素的相关性不显著，且与Cr、Zn、Cd呈负相关。原煤与6种灰尘重金属元素的相关性较其他4种经济指标的相关性高，相关系数均大于0.3，且Cu、Zn与原煤呈显著正相关，表明燃煤能源是影响公园灰尘重金属含量的主要社会经济因素，这也验证了已有研究^[46-48]得出的燃煤对地表灰尘中重金属的含量有一定影响的结论。社会经济发展指标与公园灰尘重金属含量之间出现个别指标与个别元素呈显著正相关的现象，推测一方面与重金属元素本身的理化性质和赋存形态有关，另一方面可能与社会经济指标涵盖的范围太大，而公园作为一个小区域无法进行全面的解释有关。

2.4 公园灰尘重金属的影响因素

土壤是地表灰尘的重要来源之一^[49]。各地区土壤背景的差异是造成地表灰尘重金属含量在空间上分布差异的初始原因^[50]。由表2中土壤背景值与表1中各城市公园灰尘平均值对比分析得出，各重金属的土壤背景值含量由高到低分别为：Zn>Cr>Ni>Pb>Cu>Cd，而各城市的公园灰尘重金属含量由高到低分别为： Zn> Cr > Cu > Pb >Ni>Cd。可以看出，除Cu和 Ni 的位序发生变化以外，其他元素的位序不变，两者具有一致性，特别是两端的Zn和Cd的位序没有发生变化，说明公园灰尘重金属在一定程度上是受到土壤背景影响的。

社会经济发展指标与公园灰尘重金属含量间的相关性分析显示，Pb与总人口呈显著正相关，且公园灰尘重金属的空间分布显示，Pb的最高值出现在上海市，其高值区为北京、西安、南京等地区，这些城市属于我国发达城市，北京由于其“首都效应”经济基础雄厚，上海和南京属于长三角城市群——是中国最发达的经济区域，人口众多，城市发展的需求大，人为排放的污染增加，灰尘重金属的含量随之增加。Cu、Zn与原煤呈显著正相关，原煤主要用于动力、工业原料、民用原料等，且公园灰尘重金属的空间分布显示，Cu、Zn的空间分布具有相似性，东部地区为高值区，东北地区和西北地区为低值区。我国东部地区人口众多，外来人口规模庞大，原煤用于发电的需求量大，且工业种类多类型齐全，能源需求量大。东部地区相较于东北地区、西北地区经济社会发展水平总体较高，但区域内部存在着一定差异。长三角城市群在上海国际化大都市的带动下，产业结构高级化趋势日趋明显，但珠三角城市群外资企业中劳动密集型企业多，低端组装加工仍占很大比例。西北地区能源、矿产资源丰富，是中国重要的能源重化工基地，但西北地区受地理区位和发展阶段等多种因素的影响，经济发展水平总体低于东部地区，为东部地区输送能源。Pb、Ni与民用汽车拥有量呈显著正相关，且公园灰尘重金属的空间分布显示，Pb具有和Ni相似的空间分布特征，高值区集中在东部地区和中部地区，低值区则位于西北地区。东部地区和中部地区的城镇化水平高于西北地区，东部地区经济发展水平高，人民对生活质量要求高，民用汽车拥有量远高于西北地区，中部地区地处我国地理区位的中心，建成四通八达的交通网络和信息高速公路网络。Pb在东北地区也出现较高值，其原因是东北地区经济起步早，东北老工业基地的装备制造业在我国区域经济分工中举足轻重，其长春市是中国汽车工业的摇篮，是全国瞩目的汽车城^[51]。Pb、Ni主要受到交通污染的影响，汽车交通污染主要表现为汽车尾气排放、汽车橡胶轮胎老化磨损、刹车里衬和车体自身的磨损等^[52]。灰尘重金属Pb元素与各经济指标的相关性都较显著，说明城市公园灰尘中Pb元素的含量易受城市活动的干扰，经济社会发展状况对其影响较大。Pb在上海市的累积水平最高也证明了这一点。Cr、Cd并未与5个经济发展指标呈显著的相关性，表明重金属Cr、Cd来源的复杂性、多样性与不确定性。

综上所述，城市公园灰尘中Cu、Zn元素含量主要受燃煤能源等能源结构的影响，Pb 元素含量受到人口和交通因素的控制，Ni元素含量主要受交通因素影响；Cr、Cd来源较为复杂，可能是自然和人为的混合源。

3. 结论(Conclusion)

（1）中国城市公园灰尘的重金属空间分布特征表现为，Cr、Cu、Zn、Cd 的4种重金属含量的空间分布具有相似性，东部地区为高值区，东北地区和西北地区为低值区；Pb和 Ni具有相似的空间分布特征，东部地区和中部地区为高值区，西北地区则为低值区。

（2）社会经济发展指标与灰尘重金属的相关性分析表明，Pb与总人口呈显著正相关；Cu、Zn与原煤呈显著正相关；Pb、Ni与民用汽车拥有量呈显著正相关。城市公园灰尘中Cu、Zn元素含量主要受燃煤能源等能源结构的影响，Pb元素含量受到人口和交通因素的控制，Ni元素含量主要受交通因素影响；Cr、Cd来源较为复杂，可能是自然和人为的混合源。社会经济发展指标与公园灰尘重金属含量之间出现个别指标与个别元素呈显著正相关的现象，推测一方面与重金属元素本身的理化性质和赋存形态有关，另一方面可能与社会经济指标涵盖的范围太大，而公园作为一个小区域无法进行全面的解释有关。

图 1 潜流人工湿地

Figure 1. Subsurface flow constructed wetland

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图 2 填料对 ${{\bf{PO}}_{\bf{4}}^{{\bf{3 - }}}}$ -P的吸附动力学曲线

Figure 2. Adsorption kinetics of ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P on the fillers

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图 3 填料对 ${ {\bf{PO}}_{\bf{4}}^{{\bf{3 - }}}}$ -P等温吸附曲线

Figure 3. Isothermal adsorption curves of ${ {\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P by the fillers

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图 4 不同停留时间潜流人工湿地 ${\bf{PO}}_{\bf{4}}^{{\bf{3 - }}}$ -P净化效果

Figure 4. ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P purification effect by the subsurface flow constructed wetland under different hydraulic retention times

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表 1 填料的物理化学性质

Table 1. Physical and chemical properties of filler

填料	密度/(g·cm⁻³)	孔隙率/%	渗透系数/(cm·s⁻¹)	比表面积/(m²·g⁻¹)	Al含量/%	Fe含量/%	Ca含量/%	Mg含量/%
混凝土渣	1.040	57.150	0.276	6.770	6.060	10.130	68.520	0.910
生物炭	0.549~0.580	50.00	0.076	64.300~504.300	0.16~1.72	0.36~7.16	0.67~8.24	0.27~8.96

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表 2 填料对 ${ {\bf{PO}}_{\bf{4}}^{{\bf{3 - }}}}$ -P的吸附动力学方程参数

Table 2. Fitting parameters of ${{\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}}$ -P adsorption kinetics equation on the fillers

填料	准一级动力学方程			准二级动力学方程			颗粒内扩散动力学方程			Elovich方程
填料	a	k₁	R²	a	k₂	R²	a	k₃	R²	a	k₄	R²
混凝土渣	2.273	0.012	0.560	0.599	0.084	0.614	1.943	0.067	0.652	1.972	0.09	0.759
生物炭	1.323	0.040	0.707	−0.251	0.104	0.792	0.740	0.070 4	0.685	0.783	0.888	0.846

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表 3 填料对 ${\bf{PO}}_{\bf{4}}^{{\bf{3 - }}}$ -P的等温吸附方程参数

Table 3. Fitting parameters of ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P isothermal adsorption equation by the fillers

填料	温度/℃	Langmuir等温吸附模型				Freundlich等温吸附模型
填料	温度/℃	Q_m/(mg·g⁻¹)	K_L/(mg·L⁻¹)	K_L·Q_m	R²	n/(g·L⁻¹)	K_F/(mg·g⁻¹)	R²
生物炭	15	1.903	0.094	0.179	0.863	2.403	0.313	0.706
	25	2.807	0.055	0.154	0.936	1.955	0.282	0.849
	35	4.434	0.031	0.137	0.955	1.625	0.245	0.906
混凝土渣	15	2.782	1.116	3.104	0.829	3.843	1.552	0.822
	25	2.929	0.885	2.593	0.878	3.243	2.290	0..891
	35	2.321	2.170	5.036	0.908	4.794	1.010	0.957

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图( 4) 表( 3)

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1. 材料与方法(Materials and methods)
1.1 材料来源
1.2 研究方法
2. 结果与讨论(Results and discussion)
2.1 公园灰尘重金属的空间分布
2.2 公园灰尘重金属的累积水平
2.3 社会经济发展对公园灰尘重金属污染的影响
2.4 公园灰尘重金属的影响因素
3. 结论(Conclusion)

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随着城镇化水平的不断提高，地表水体的污染负荷日益加重^[1]。人工湿地作为污水处理技术之一^[2]，利用填料的吸附作用、微生物降解作用和植物吸收等作用去除水中的污染物。人工湿地进行磷的去除主要以填料吸附作用为主^[3]。目前，人工湿地中常用的填料主要有砾石^[4]、沸石^[5]、石灰石^[6]、钢渣^[7]、粉煤灰砖^[8-9]、陶粒^[10]等。并且，填料的吸附作用除了与填料本身材质有关，还受到理化性质、吸附时间和pH的影响。因此，选择人工湿地的填料是至关重要的。

本研究结合西北地区地域气候特征，就地取材，以生物炭、混凝土渣为主要研究对象，从吸附动力学和热力学的角度研究了其对 ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P的吸附特性。基于以上研究结果，构建了2种类型的潜流人工湿地，加入生活污水，考察了其对生活污水中磷的去除效果，并探究了填料对磷的吸附机理及其稳定性，以期为西北地区人工湿地选材及人工湿地的构建提供参考。

3. 结论

1)混凝土渣和生物炭对磷的静态吸附平衡时间均为18 h，且混凝土渣的最大吸附量是生物炭最大吸附量的2.16倍。动力学吸附过程拟合结果表明，EIovich模拟方程对2种填料的拟合效果最佳，这表明2种填料对 ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P的吸附有表面吸附、颗粒内部扩散和外部液膜扩散等多种吸附过程。混凝土渣的等温吸附特性与Freundlich方程拟合更好，生物炭更符合Langmuir方程，这表明混凝土渣对 ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P吸附既有单层吸附，又有多层吸附，表面是非均匀的，而生物炭对 ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P的吸附多为单层吸附。

2)动力学吸附实验和等温吸附实验结果表明，混凝土渣对 ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P的吸附既有物理吸附亦有化学吸附。

3)与以生物炭为填料的湿地相比较，以混凝土渣为填料的静态潜流人工湿地除去污水中的磷效果更好。在HRT为24 h时，混凝土渣湿地和生物炭湿地对 ${\rm{PO}}_{\rm{4}}^{{\rm{3 - }}}$ -P的去除率分别达到了94.86%和86.37%。

4)选用混凝土渣作为潜流人工湿地填料，能更好地达到有效处理西北地区农村生活污水中磷的目的。

参考文献 (23)

生物炭和混凝土渣在人工湿地中除磷效应的对比

作者简介: 王煜钧(1996—)，男，硕士研究生。研究方向：人工湿地污水处理。E-mail：wangyujun4948@163.com

通讯作者: 王若凡(1983—)，女，博士，副教授。研究方向：人工湿地污水处理。E-mail：wangruofan@mail.lzjtu.cn;