人工濕地不同基質(zhì)對城市生活污水凈化效果研究

肖 燁，黃志剛，令玉林,李友鳳，張元淵，龍廣艷

(1.遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，貴州遵義 563006；2.遵義師范學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，貴州遵義 563006；3.遵義師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，貴州遵義 563006；4.遵義市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心站，貴州遵義 563000)

城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展帶來了人口的密集，導(dǎo)致生活污水排放量也與日俱增，來自食品、城市地面徑流和糞便等生活污水中富含的氮磷物質(zhì)排放將導(dǎo)致地面水體富營養(yǎng)化。人工濕地是利用基質(zhì)-微生物-植物三者間的協(xié)同作用來處理廢水的方法，因其具有低能耗、耐負(fù)荷、節(jié)約成本、管理簡單和處理效果穩(wěn)定等一系列優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于生活、工業(yè)、礦山、農(nóng)田污廢水和垃圾滲濾液等受污水體修復(fù)。濕地基質(zhì)不僅是植物和微生物生長的依附介質(zhì)，而且還可以通過吸附、沉淀和過濾等理化作用及生物途徑直接去除污染物，因此是人工濕地的重要組成部分。不同的理化性質(zhì)基質(zhì)對污染物的過濾、吸附及生化反應(yīng)性能不同，其表面形成的微生物膜的形態(tài)和組成也存在一定差異，從而影響濕地系統(tǒng)污染物的去除效果。目前人工濕地常用的基質(zhì)是一些未加工改性的天然材料如土壤、河砂和礫石等，這類基質(zhì)通常易吸附飽和，脫氮除磷效果不理想，凈化效率低，致使出水中氮、磷濃度較高。因此篩選出具有高效凈化能力的人工濕地基質(zhì)，不僅可以提高人工濕地對污染物的凈化能力，而且還能延長基質(zhì)的使用壽命，同時節(jié)約建設(shè)成本。

水力停留時間是影響人工濕地污染物去除的關(guān)鍵因素，也是人工濕地污水處理系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時間過短，則污染物去除率低，而延長水力停留時間，雖然能降低出水磷的濃度，但過長的水力停留時間則會增加運行成本，且去污效果提升不明顯，甚至?xí)l(fā)生逆反應(yīng)，導(dǎo)致釋磷現(xiàn)象，故選取適當(dāng)?shù)乃νＡ魰r間對提高濕地脫氮除磷效率很重要。該研究通過比較篩選后選取的沸石、陶粒、爐渣、果殼炭4種填料為研究對象， 研究它們在不同水力停留時間條件下對有機污染物及氮磷的凈化能力和處理效果， 為選擇合適的人工濕地基質(zhì)達(dá)到良好的處理效果及預(yù)防堵塞提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 材料與方法

試驗測定比較室內(nèi)無植物條件下填料對污染物的去除性能。試驗基質(zhì)選用了果殼炭(粒徑3～5 mm)、陶粒(粒徑5～10 mm)、沸石(粒徑1～2 mm)和爐渣(粒徑8～12 mm)作為研究對象，共4個處理，每組處理設(shè)置3個重復(fù)。如圖1所示，在塑料箱(長44 cm、寬30 cm、高40 cm)內(nèi)放置人工濕地基質(zhì)，厚度約20 cm，底部設(shè)置直徑為2 cm的出水口，另設(shè)計高位水箱，用于進(jìn)水。

圖1 人工試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of manual experiment

試驗采用間歇進(jìn)水方式一次性注入生活污水8 L，使污水沒過基質(zhì)5～10 cm，研究不同水力停留時間4種基質(zhì)對污水中TN、TP、COD和BOD的去除效果，及對出水pH的影響，試驗進(jìn)行3次重復(fù)。

水質(zhì)監(jiān)測參照國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法。COD采用重鉻酸鉀法測定； BOD采用稀釋與接種法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；NH-N采用納氏試劑分光光度法測定；TP采用鉬銻抗比色法測定。pH采用便攜式pH計測定。

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010和 SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖。不同基質(zhì)間處理效果用LSD 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

從圖2可以看出，4種基質(zhì)中以果殼炭和爐渣對出水pH的影響較大；果殼炭在4個水力停留時間內(nèi)出水的pH為8.23～8.60，均大于進(jìn)水(pH=7.6)，爐渣的浸出液pH僅在水力停留12和48 h高于進(jìn)水，分別為8.05和8.20，其余2個水力停留時間(24、72 h)出水pH均為7.70，與進(jìn)水差異不大。相對于果殼炭、爐渣和沸石而言，陶粒在不同水力停留條件下出水pH較低，為7.40～7.77；尤其在處理24和72 h時pH分別降至7.47和7.40，具有降低進(jìn)水pH的作用。沸石在4個水力停留時間對pH(7.65～7.80)的影響不大。

注：不同小寫字母表示同一水力停留時間下不同基質(zhì)間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)圖2 不同基質(zhì)處理下的出水pHFig.2 pH of effluent treated with different substrates

從圖3可以看出，4種基質(zhì)在不同水力停留時間內(nèi)對污水中的COD均具有較好的去除效果，去除率均達(dá)到了50%以上，但波動較大。在水力停留12和24 h，4種基質(zhì)對COD的去除率差異不顯著，其中以沸石的去除率最高，分別達(dá)78.53%和79.50%，而爐渣的去除率最低，分別為64.28%和64.45%。在水力停留48 h，果殼炭和爐渣的處理效果得到了提升，尤其是果殼炭對COD的去除率達(dá)到了81.85%，而陶粒和沸石的處理效果卻呈現(xiàn)下降趨勢。在水力停留72 h，除了果殼炭對COD的去除率下降至57.08%外，其他3種基質(zhì)的去除率均明顯提高至71.06%～77.83%。對于同一基質(zhì)而言，果殼炭和爐渣在水力停留48 h對COD去除率最高，陶粒在水力停留72 h的處理效果最佳(77.83%)，而沸石在水力停留24 h對COD去除率(79.53%)優(yōu)于其他時間。

注：不同小寫字母表示同一水力停留時間下不同基質(zhì)間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)圖3 不同基質(zhì)對COD的去除效果Fig.3 Removal effect of different substrates on COD

從圖4可以看出，4種基質(zhì)在不同水力停留條件下對BOD均表現(xiàn)出較好的處理效果，去除率在72%以上。在水力停留12和24 h時，4種基質(zhì)對BOD的去除率分別為72.77%～83.20%和72.25%～82.35%，各基質(zhì)之間差異不顯著。隨著水力停留時間的延長，各基質(zhì)對BOD的去除效果有所提升，尤其是果殼炭在水力停留48 h的去除率達(dá)到了94.16%，顯著高于陶粒和沸石(<0.05)，但與爐渣的去除率(92.61%)差異不顯著。在水力停留72 h，果殼炭對BOD的去除效果稍微有所降低，而其他3種基質(zhì)則表現(xiàn)出更好的處理優(yōu)勢，去除率為92.08%～93.48%，顯著高于果殼炭(<0.05)。總體而言，除了果殼炭在水力停留72 h對BOD的去除率稍有降低外，各基質(zhì)對BOD的處理效果均隨水力停留時間的延長而增加。

注：不同小寫字母表示同一水力停留時間下不同基質(zhì)間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)圖4 不同基質(zhì)對BOD5的去除效果Fig.4 Removal effect of different substrates on BOD5

從圖5可以看出，4種基質(zhì)對污水中總氮的處理效果有明顯差異。當(dāng)水力停留時間由12 h增加至72 h時，果殼炭和陶粒均表現(xiàn)出較好的總氮去除效果，去除率分別從12 h的34.04%和22.69%提升至72 h的68.48%和40.96%。其中果殼炭對污水中總氮的處理效果為最佳，顯著高于其他基質(zhì)(<0.05)，尤其是在水力停留48和72 h，總氮的去除率接近70%。相比于果殼炭和陶粒而言，沸石在不同水力停留時間對總氮去除效果較一般，去除率為10.38%～22.98%，而爐渣的處理效果更差，去除率僅為6.25%～12.88%，且二者隨著水力停留時間的延長波動較大。說明在質(zhì)地較重的基質(zhì)中堵塞是影響其總氮處理效果的主要因素之一。

注：不同小寫字母表示同一水力停留時間下不同基質(zhì)間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)圖5 不同基質(zhì)對總氮的去除效果Fig.5 Removal effect of different substrates on TN

從圖6可以看出，與對總氮的處理效果類似，果殼炭和陶粒在不同水力停留時間內(nèi)同樣表現(xiàn)較好的氨氮去除效果，其去除率分別為57.61%～79.37%和44.39%～76.67%，明顯優(yōu)于爐渣(39.47%～68.28%)和沸石(38.72%～59.57%)。除了在水力停留12 h時爐渣對氨氮的去除率(35.47%)稍低于沸石(38.72%)外，各水力停留時間內(nèi)處理效果均表現(xiàn)為果殼炭>陶粒>爐渣>沸石，尤其是當(dāng)水力停留72 h時，果殼炭、爐渣和陶粒對氨氮的去除率均為68%以上，顯著高于沸石(<0.05)。總體而言，4種基質(zhì)對污水中氨氮的處理效果隨著水力停留時間的延長均表現(xiàn)出增加的變化趨勢。

注：不同小寫字母表示同一水力停留時間下不同基質(zhì)間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)圖6 不同基質(zhì)對氨氮的去除效果Fig.6 Removal effect of different substrates on ammonia nitrogen

從圖7可以看出，在水力停留12～72 h，除了果殼炭呈現(xiàn)出3.28%～13.11%的少量釋磷現(xiàn)象外，爐渣、陶粒和沸石對總磷均表現(xiàn)出一定的去除效果，其去除率分別為43.32%～77.91%、23.12%～54.79%和27.78%～46.60%，且處理效果均隨著水力停留時間的延長而表現(xiàn)出遞增的變化趨勢。在不同水力停留時間內(nèi)，爐渣對總磷的去除率均顯著高于陶粒和沸石(<0.05)。除了水力停留時間12 h陶粒的總磷去除率稍低于沸石外，隨著水力停留時間的延長，其去除效果均高于沸石，但二者并無顯著差異。

注：不同小寫字母表示同一水力停留時間下不同基質(zhì)間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)圖7 不同基質(zhì)對總磷的去除效果Fig.7 Removal effect of different substrates on TP

3 討論

耗氧有機物污染COD 和BOD的去除率是衡量人工濕地處理效果的重要指標(biāo)。在進(jìn)水水質(zhì)及水量相同的條件下，4種基質(zhì)在不同水力停留時間對COD和BOD均表現(xiàn)出了較好的處理效果，去除率分別達(dá)到了57.08%～81.85%和72.25%～94.16%。在水力停留12和24 h，4種基質(zhì)對COD和BOD的去除率差異均不顯著，說明各基質(zhì)在試驗前期對這2個指標(biāo)的物理吸附作用相當(dāng)。在水力停留48 h時，果殼炭對COD和BOD的去除效果最高，這是由于果殼炭高比表面積與豐富的微孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了更多的附著點，為厭氧細(xì)菌提供豐富的缺氧與厭氧微環(huán)境。此外，果殼炭屬于生物炭材料可緩釋有機物，能為反硝化過程提供充足的有機碳源，有助于微生物的生長。一些研究表明，生物炭添加有利于人工濕地內(nèi)微生物群落的多樣性增加。徐德福等研究也表明，含碳量高的填料會提升微生物的活性，從而提高有機物的去除能力。但當(dāng)水力停留時間延長至72 h時，則果殼炭對有機物的去除效果稍有降低，可能是由于微孔隙堵塞從而影響對污染物的吸附效率。相對于COD去除效果的波動性而言，4種基質(zhì)隨著水力停留時間的延長對BOD的處理效果基本呈遞增的變化趨勢(水力停留72 h果殼炭除外)，這是由于在試驗初期有機物主要是通過物理作用被截留在其表面，經(jīng)過一段時間的運行后,有機物在填料表面富集,致使后期的BOD的處理效果較好。

不同基質(zhì)對總氮的處理效果略差于對氨氮的處理效果，這與張翔凌等的研究結(jié)果相似，這主要是由于被處理的氨氮大部分被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽形態(tài)，由于缺乏厭氧環(huán)境條件，反硝化作用不完全，以致于總氮的去除率略低。有研究表明，濕地除氮主要是靠微生物的硝化與反硝化作用，水中碳源充足可以優(yōu)先提高反硝化速率，因此，該研究中果殼炭在不同水力停留時間內(nèi)均表現(xiàn)出最佳的總氮和氨氮去除率，其充足的碳源為反硝化脫氮提供了電子供體。此外，試驗中陶粒的粒徑較大，質(zhì)地氫易浮于水面，表面在好氧狀態(tài)下易于生長硝化菌生物膜，因此對氮特別是氨氮有較好的處理效果。該研究中沸石在不同水力停留時間對總氮和氨氮的處理效果并不太理想，去除率分別為10.38%～22.98%和38.72%～59.57%，這與趙林麗等得出沸石(粒徑為2～8 mm)對總氮的去除率在70%以上、張翔凌等得出沸石(粒徑為8～12 mm)對污水中氨氮的平均去除率在85%以上的研究結(jié)果不一致。而該研究可能所用沸石粒徑太小(1～2 mm)，容易受到堵塞，其次是水力停留時間較短，不利于微生物的吸附和降解反應(yīng)時間不夠，因而影響其對總氮和氨氮的凈化效果。

基質(zhì)的除磷機理主要是基質(zhì)中鈣、鎂等元素與磷形成沉淀或發(fā)生吸附，其吸附作用在人工濕地除磷方面具有重要貢獻(xiàn)。該研究中果殼炭在不同水力停留時間表現(xiàn)出了一定的釋磷現(xiàn)象，這與黃建洪等和陳麗麗等的研究結(jié)果相似，他們的研究中表明生物炭材料對磷酸根離子的解吸率為13%以上。這可能是果殼炭有機質(zhì)含量高，易與磷發(fā)生競爭吸附位點，因而不利于磷的吸附沉淀；萬正芬等研究也表明，活性炭吸附飽和后對磷的穩(wěn)定能力較差，易于釋放到水中。張修穩(wěn)等運用Langmuir吸附模型進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，活性炭與磷之間的結(jié)合能力明顯小于爐渣、生物陶粒和沸石。也可能是由于水力停留時間較短，果殼炭對磷的吸附比較緩慢且處于不穩(wěn)定中，試驗中觀察到隨著水力停留時間從12 h至72 h中釋磷率從13.11%減少至3.28%，說明隨著水力停留時間的延長果殼炭處理中釋磷現(xiàn)象逐漸減弱。此外，基質(zhì)對磷的吸附易受基質(zhì)理化性質(zhì)、pH、氧化還原電位、基質(zhì)比表面積等因素的影響。

水力停留12～72 h，爐渣、陶粒和沸石對總磷的去除率明顯提高，這是因為延長水力停留時間有利于磷酸鹽的基質(zhì)吸附和沉淀反應(yīng)，同時微生物也有較長時間進(jìn)行代謝反應(yīng)。其中，爐渣在不同水力停留時間對總磷的去除率均顯著優(yōu)于陶粒和沸石(<0.05)。可能是由于爐渣的浸出液pH為7.70～8.20，在偏堿性條件下水體中的可溶性磷酸鹽會與爐渣中Ca發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成難溶磷酸鹽而固定下來，從而大大提高了爐渣對磷離子的吸附量。

沸石對總磷的去除率在除了水力停留12 h時稍高于陶粒外，隨著水力停留時間的延長，其去除效果均低于陶粒，但二者并無顯著差異。這可能與沸石的理化性質(zhì)和粒徑大小有關(guān)。郭本華等對比沸石、頁巖陶粒和碎石的除磷效果，研究表明沸石對污水磷素的處理效果最差。Drizo等對十幾種基質(zhì)進(jìn)行研究也得出沸石對磷的吸附能力較差。趙林麗等研究也表明沸石對總磷的去除率較差(僅為15%)，并且粒徑越小的沸石對總磷去除率更低。

4 結(jié)論

該研究發(fā)現(xiàn)在不同水力停留時間果殼炭系統(tǒng)出水pH均最高(8.2～8.6)，爐渣的浸出液pH在水力停留12和48 h分別為8.05和8.20，對環(huán)境有較大的影響。4種基質(zhì)在不同水力停留時間對COD和BOD均表現(xiàn)出了較好的處理效果，去除率分別達(dá)到了57.08%～81.85%和72.25%～94.16%。各基質(zhì)對COD的處理效果在不同水力停留時間具有一定的波動性，而對BOD的處理效果則隨著水力停留時間的延長基本呈遞增的變化趨勢(水力停留72 h時果殼炭除外)。在不同水力停留時間段，不同基質(zhì)對總氮的處理效果略差于對氨氮的處理效果，其中以果殼炭對總氮和氨氮的去除效果較佳，但其卻表現(xiàn)出一定的釋磷現(xiàn)象；吸附總磷效果最好的是爐渣，在不同水力停留時間內(nèi)對總磷的去除率均顯著優(yōu)于陶粒和沸石(<0.05)。