人工濕地陶?；|(zhì)不同布置方式凈化效果研究

徐威 龍泉 劉勇

摘 要：本研究選取陶粒作為基質(zhì)材料，設(shè)置了三種不同填充方式垂直流人工濕地模型，通過測定各裝置中污染物的去除率來研究不同填充方式下垂直流人工濕地的凈化效果。研究表明：分層填充方式對污染物的去除效果更好，且在進水口填充大粒徑基質(zhì)對污染物的綜合去除效率更高；陶粒對各項污染物都具有很好的去除能力，適宜用作人工濕地基質(zhì)材料。

關(guān)鍵詞：人工濕地；陶粒；填充方式；去除效率

人工濕地技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種新興的生態(tài)污水處理技術(shù)，因其具有建造及運行費用低，維護管理方便，處理效果好，適用面廣等優(yōu)點，已被廣泛運用與工業(yè)廢水和生活污水的處理[ 1 ]。

基質(zhì)，作為人工濕地的重要組成部分，是濕地系統(tǒng)中植物生長和微生物附著的重要載體，其本身也通過物理吸附和化學(xué)反應(yīng)去除污水中的污染物[ 2 ]。為了尋找一種對污染物去除能力強且經(jīng)濟易得的基質(zhì)，研究人員做了大量的實驗，發(fā)現(xiàn)了多種新型人工濕地基質(zhì)，如陶粒、鋼渣、高爐渣等，但對于人工濕地中基質(zhì)材料的填充方式研究較少[ 3 ]。為此，本研究依托項目《農(nóng)村生活污水分散式人工濕地處理裝置研究》，選取一種新型基質(zhì)——陶粒作為研究對象，研究不同填充方式下垂直流人工濕地的凈化效果，為人工濕地一體化裝置的研發(fā)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

實驗裝置選用內(nèi)徑250mm的PVC管制成，高度設(shè)置為1m，管內(nèi)基質(zhì)填充高度80cm。進水口設(shè)置在管底，污水由管底的圓形穿孔布水管進入，進水管上端接高位水箱。如圖1所示。

試驗所用陶?；|(zhì)主要成分為偏鋁硅酸鹽，表觀為近球形不規(guī)則顆粒，深褐色，表面粗糙多微孔，比表面積大，化學(xué)性能穩(wěn)定。選用兩種不同粒徑陶粒作為填料基質(zhì)，設(shè)置3組實驗，各組實驗基質(zhì)填充方式如表1所示。

1.2 進水特性及運行方式

實驗用水取自某小區(qū)化糞池處理后的生活污水，水質(zhì)指標參數(shù)見表2。實驗采用連續(xù)運行的模式，水力負荷控制在2～2.5m3/m2·d。定期采樣（每周三、六），測定出水的pH、CODcr、TN、TP等指標。

1.3 水質(zhì)分析測定方法

水質(zhì)指標的測定方法均取自于《水和廢水監(jiān)測分析方法》[ 4 ]：pH值的測定采用PHS-3TC型酸度計，COD采用重鉻酸鉀法；TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；TP采用過硫酸鉀消解法。測定結(jié)果運用Excel中分析數(shù)據(jù)庫，對各裝置中污染物指標去除率進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各裝置出水pH值變化

進水及各裝置出水的pH值如表3所示。可以看出，3組實驗裝置出水的pH值均高于進水的pH值，測得的pH值在7.9-8.4之間。三組裝置出水pH值差異性不大（P>0.05），說明基質(zhì)的填充方式對出水pH值無顯著影響。

2.2 各裝置對COD的去除效果

人工濕地系統(tǒng)中，有機物的去除是物理截留與生物吸附降解等共同作用的結(jié)果，不溶性有機物被濕地系統(tǒng)中的基質(zhì)截留下來，為部分兼性或厭氧微生物所利用；溶解性有機物則通過植物根系及基質(zhì)表面生物膜的吸附、生物代謝作用去除。

由圖2可以看出，分層填充濕地系統(tǒng)對有機物的去除率高，裝置③的去除效果更好。這主要是由于分層填充人工濕地系統(tǒng)中水流的分布更加均勻，基質(zhì)床中水力負荷和有機負荷也均勻分布，避免了短流現(xiàn)象及死水區(qū)的出現(xiàn)，使得基質(zhì)及基質(zhì)表面的生物膜能夠充分的攔截、吸附、降解有機物。裝置③表層填充小粒徑陶粒基質(zhì)，比表面積大，附著的微生物數(shù)目更多，且表層O2濃度更高，有利于COD的降解。隨著人工濕地系統(tǒng)的運行時間延長，COD的去除率逐漸升高，這主要與系統(tǒng)中微生物群落有關(guān)，初期系統(tǒng)中的微生物數(shù)量有限，隨著時間的推移，微生物群落逐漸成熟穩(wěn)定，COD的去除率也隨之升高。

2.3 各裝置對TN的去除效果

人工濕地系統(tǒng)對氮的去除方式包括植物的吸收，基質(zhì)的吸附過濾，微生物的氨化、硝化和反硝化作用等，其中微生物的硝化和反硝化反應(yīng)是最主要的去除途徑。如圖3所示，三組裝置對氮素的去除效率存在一定的波動，且裝置③的填充方式下TN的去除效率更高。在實驗前期，均混填充方式下TN的去除效率低于分層填充，分層填充的方式可能更加有益于濕地系統(tǒng)中硝化和反硝化過程的合理分區(qū)，從而提高氮的去除效率。到了后期，隨著濕地系統(tǒng)的運行，基質(zhì)表面的生物膜不斷積累，影響了氧氣與微生物的接觸，硝化反應(yīng)受到了明顯的抑制，氨氮無法去除，進而導(dǎo)致TN的去除效率下降；后段由于系統(tǒng)反硝化細菌作用的增強，TN的去除效率出現(xiàn)了回升[ 7 ]。

2.4 各裝置對TP的去除效果

各實驗裝置對磷素的去除效果如圖4所示，在實驗初期，人工濕地系統(tǒng)對TP的去除率就達到了90%以上，不同基質(zhì)填充方式下TP的去除效率差異很小。人工濕地系統(tǒng)中起主要脫磷作用的是填料基質(zhì)的吸附和沉淀作用，占到了去除總量的90%以上。陶粒基質(zhì)中含有大量的Al元素，與廢水中正磷酸鹽充分發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng)，沉淀而去除。隨著運行時間的增加，濕地系統(tǒng)對TP的去除效果略有下降，這可能是由于基質(zhì)表面生物膜的積累，影響了磷素向基質(zhì)的傳質(zhì)過程而導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

1）人工濕地系統(tǒng)中，基質(zhì)分層填充對污染物的去除效率優(yōu)于均勻混合填充。2）陶?；|(zhì)的填充方式對出水pH值影響較小，但在主要污染物的去除方面存在差異，靠近進水口處填充小粒徑基質(zhì)對COD的去除更加有利；而在TN、TP的去除方面，采用進水口處填充大粒徑基質(zhì)的方式效果更好。3）陶?；|(zhì)對垂直流人工濕地系統(tǒng)中COD、TN、TP去除效率較無煙煤分別提高了7%、5%、23%[ 7 ]，去除效率高，適宜用作人工濕地基質(zhì)材料。

參考文獻：

[1] 籍國東，倪晉仁.人工濕地廢水生態(tài)處理系統(tǒng)的作用基質(zhì)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)和設(shè)備，2004，5（6）：71-75.

[2] 廖新俤，駱世明.人工濕地對豬場廢水有機物處理效果的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13（1）：113-117.

[3] 陳騰殊，白少元等.基質(zhì)結(jié)構(gòu)對水平潛流人工濕地凈化效果影響[J].環(huán)境工程學(xué)報，2012，10（6）：3449-3454.

[4] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測方法[M].第4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.