人工濕地基質在污水凈化中的選擇與再生研究

韋雅妮，吳星杰，李 麗，于 躍，程 承，吳庭巨，后永飛

（西南林業大學 土木工程學院，云南 昆明 650224）

0 引言

隨著經濟高速發展、城市化進程加快以及人們對水資源的過度開發，水環境生態系統污染愈發嚴重，水體富營養化問題時有發生。出現水體富營養化的主要原因是水體中氮磷含量過高。因此通過有效手段降低水體中過高的氮磷含量對于改善水體環境十分重要。人工濕地是人工建造的一種依托基質的生態系統，它通過吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等協同作用實現污水的高效凈化。當前人工濕地基質的相關研究主要集中在基質的作用機理、除污性能評價等方面。崔理華等［1］研究發現，人工濕地基質對磷的吸附能力與其理化性質有關；邵文生等［2］研究認為，不同基質的搭配也會影響人工濕地的凈化能力；上述研究主要集中在人工濕地基質凈化污水的機理方面。目前有關基質的研究多為基質的選取、環境因素對各種污染物的吸附效果和應用研究上［16］，與基質再生相關的研究較少。為此，本文將從基質的選擇、凈化效果和基質再生等方面進行研究，探討多種基質的吸附作用及其處于再生階段時的持續吸附效果，為不同污水的凈化處理提供理論支撐。

1 試樣選擇和方法

1.1 基質的選擇

基質是人工濕地的核心組成部分，選擇合適的人工濕地基質有利于去除水體中的污染物［4］。基質的物理和化學性質是首要考慮因素，如基質孔徑與表面糙度等物理性質決定了生物膜的附著能力，化學組成結構即離子、吸附交換能力等決定了其去污效果。此外，基質的滲透性［5］、吸附再生能力和經濟性等也是選取時應該考慮的因素。在投產應用的過程中，水平流濕地還應考慮到填料對水流堵塞的影響［6］，而垂直流濕地則應考慮填料先后順序對去除效果的影響。

1.2 試樣選取

參考文獻［7-9］，選擇沸石、石灰石、珍珠巖、陶粒、火山巖、麥飯石這6種在人工濕地吸附效果較好的基質進行試驗，均購自昆明園博花鳥市場。用去離子水多次沖洗基質，去除表面雜質后放入105 ℃烘箱中烘干3 h，封存待用。

1.3 基質性質

基質的部分理化性質見表1，實物圖見圖1。

圖1 6種基質的實物圖

表1 不同基質的理化性質

1.4 影響因素設定

試驗設定每個周期（5 d為一個周期，此周期通過整理現階段大量文獻的研究結論選定，即5 d內生物的降解已經達到一個較高的比例，檢測效果明顯）加入不同pH值、氨氮、TP和COD濃度來模擬農村生活的配制污水，葡萄糖為其主要碳源，氯化銨為其主要氮源，磷酸二氫鉀為其主要磷源(配制污水的配方，pH值、氨氮、TP和COD的濃度范圍見表2)。向保持錐形瓶中加入固體基質5 g、配制的100 mL污水(固液比為1∶20)，每個周期均不更換錐形瓶中的基質，觀測污水中各污染物參數的濃度變化、環境因素(震蕩周期)和再生試驗對單一及混合基質的氨氮、TP、COD吸附量的影響。與此同時，單一基質、混合基質組合測樣分別持續2、1個周期之后，對錐形瓶中基質進行去離子水沖洗、烘干和封存，1個周期后進行再吸附試驗，觀察基質的再生吸附效果。

表2 配制污水的參數

2 試驗材料和方法

2.1 試劑與儀器

試驗主要試劑有葡萄糖粉劑（AR級）、氯化銨（AR級）、磷酸二氫鉀（AR級）、COD專用氧化劑、COD復合催化劑，氨氮試劑一、試劑二，NaOH標準溶液，總磷試劑一、試劑二、試劑三，硫酸(AR級）；所用儀器為DIS-16B型多功能數控消解儀、CNP-301型COD·氨氮·總磷·測定儀、FA-8601臺式pH計、FA2004N電子天平、SHZ-A水浴恒溫振蕩器、電熱鼓風干燥箱。

2.2 試驗方法

2.2.1 單一基質吸附試驗 稱取沖洗烘干后封存的6種基質樣品各5 g，加入250 mL錐形瓶，注入100 mL的配制污水并具塞搖勻。將錐形瓶置于溫度25 ℃、轉速為150 r/min的SHZ-A水浴恒溫振蕩器中，分別連續震蕩24、48、72、96和120 h，連續10 d為2個試樣檢測周期，取上清液測定樣品的pH值、氨氮含量、TP和COD的質量濃度，計算基質對配制污水中各污染物指標的吸附量，試驗結果取均值，以減少誤差。

2.2.2 混合基質吸附試驗 操作方法及步驟同2.2.1。

2.2.3 基質吸附再生試驗 對單一基質吸附試驗和混合基質吸附試驗結果進行分析，選取其中特征較為明顯、去除效果呈現不均勻現象的基質單一或兩兩組合進行試驗。在吸附階段的基礎上再次經過去離子水沖洗、烘干后進行試驗，稱為吸附再生階段。樣品配比與前述一致。

3 結果與分析

3.1 單一基質對氨氮、TP和COD的去除效果

通常吸附是由快速、過渡和緩慢吸附3個過程構成的，研究表明，人工濕地基質自身的物理性質及化學組成決定著污染物的去除效果。反應過程中，發現氨氮、TP和COD的去除率呈波動變化的狀態，且不同基質對各類污染物的吸附能力迥異。隨著錐形瓶在水浴恒溫振蕩器里的時間增加，基質具有的吸附容量達到飽和，其吸附作用越來越弱，甚至出現釋放污染物的現象，表明此時基質自身的吸附量已經達到了最大值。

3.1.1 吸附階段不同基質的氨氮去除率 由圖2和表3可知，整個吸附周期中，麥飯石對氨氮的持續吸附效果較好；麥飯石的去除率隨著反應周期的延長而提高，去除率最高可達61.81%。陶粒的去除率自2 d開始持續下降，直至10 d處于釋放狀態，但陶粒在2個周期內去除率極值的變化幅度不大，吸附效果僅次于麥飯石。珍珠巖、火山石的去除率在吸附周期內上下波動，表明其與污水的結合程度不穩定，吸附效果較差。在第1個周期內，火山石和沸石對氨氮的去除率較為相似，下降明顯，吸附狀態不穩定，但相比于沸石的去除率變化幅度，火山石多處于吸附狀態，效果更佳。麥飯石在5 d達到最大去除率狀態，隨后開始下降。各基質在吸附階段的氨氮去除率排序為：麥飯石＞陶粒＞火山石＞沸石＞石灰石＞珍珠巖。

圖2 不同基質對氨氮去除率的變化

表3 不同基質在吸附階段的氨氮去除率

3.1.2 吸附階段不同基質的TP去除率 6種基質對TP的去除率如圖3和表4所示，6種基質對總磷的去除效果整體優于對氨氮的，但去除氨氮效果良好的基質，在去除總磷方面不一定表現更好。沸石和麥飯石的飽和點均出現在9 d，但麥飯石對TP的去除率大部分處于負軸，且在9 d后去除率再次急劇下降，其極值差大，吸附效果不佳。火山石和沸石與污水的結合程度較為相似，吸附效果較好；石灰石對TP的去除率在Y=0處小幅波動，其吸附效果較穩定，直到6 d才出現飽和狀態。珍珠巖對TP的吸附效果與氨氮相似。陶粒的吸附效果變化幅度不大，直到6 d才達到飽和吸附的最大值83.63%。各基質在吸附階段對TP的去除率排序為：陶粒＞火山石＞沸石＞珍珠巖＞石灰石＞麥飯石。

圖3 不同基質對TP去除率的變化

表4 不同基質在吸附階段的TP去除率

3.1.3 吸附階段不同基質的COD去除率 由表5和圖4可知，珍珠巖、陶粒和沸石對COD的去除效果較為相似，陶粒、石灰石對COD的吸附效果與TP相似；珍珠巖對COD的去除率在7 d時呈急劇下降的趨勢，說明在第2周期中期已接近飽和狀態。陶粒對污水COD的去除率在7 d時達到100.00%，且去除率的極值變化不大，是6種基質中對污水COD的吸附效果最優的。觀察去除率極值變化還可以發現，麥飯石、沸石的極值差均很明顯，變化劇烈，但沸石多處于吸附狀態，且極值變化弱于麥飯石，麥飯石的極值變化明顯大于火山石，6種基質對COD的去除率排序為：陶粒＞珍珠巖＞沸石＞火山石＞麥飯石＞石灰石。

圖4 不同基質對COD去除率的變化

表5 不同基質在吸附階段的COD去除率

3.2 不同混合基質對氨氮、TP和COD的去除效果

單一基質試驗結果表明，麥飯石對污水污染物指標的整體去除效果良好，但火山石在3種污染物去除中波動明顯，石灰石與污水的結合程度不高，珍珠巖僅對COD整體去除效果良好。因此，設置麥飯石+火山石、麥飯石+珍珠巖、麥飯石+石灰石等組合處理進行混合基質試驗。

3.2.1 不同混合基質在吸附階段的氨氮去除率 由表6和圖5可知，麥飯石在分別與火山石、珍珠巖和石灰石組合后，其自身良好的氨氮去除效果被減弱，整體上體現出了單一基質作用時的效果。混合基質火山石/珍珠巖組的吸附情況對比單一基質的吸附情況，其飽和點極值均有所下降，表明火山石、珍珠巖分別與麥飯石結合作為混合基質時，其吸附性減弱，達到飽和的時間提前，混合基質珍珠巖組的飽和出現時間由5 d提前至2 d。混合基質石灰石組的吸附效果與單一石灰石的吸附效果差異不大，表明混合基質與污水結合的效果并未得到改善，但去除率波動不大，整體效果優于其他2種混合基質。混合基質對氨氮的去除率排序為：麥飯石+石灰石＞麥飯石+火山石＞麥飯石+珍珠巖。

圖5 不同混合基質對氨氮去除率的變化

表6 不同混合基質在吸附階段的氨氮去除率

3.2.2 不同混合基質在吸附階段的TP去除率 由表7和圖6可知，混合基質珍珠巖組對TP的去除率比兩者的單一基質均下降，表明這2種基質結合時，不利于對污染物的吸附；混合基質石灰石組對TP的吸附效果與對氨氮的吸附效果一致。混合基質火山石組的去除率極大值有所提高，但出現污染物釋放加劇的現象，飽和點出現的時間變為3 d，表明火山石本身良好的吸附效果被削弱。混合基質珍珠巖/石灰石組的飽和點出現時間相比于單一基質略有延遲。不同混合基質對TP去除率的排序為：麥飯石+火山石＞麥飯石+石灰石＞麥飯石+珍珠巖。

圖6 不同混合基質對TP去除率的變化

表7 不同混合基質在吸附階段的TP去除率

3.2.3 不同混合基質在吸附階段的COD去除率 由表8和圖7可知，與單一基質相比，混合基質珍珠巖/石灰石組對COD的去除效果無明顯差異。但混合基質火山石組的去除率極小值遠遠小于其單一基質的，COD去除率平均值下降至負值，說明其釋放污染物的程度增加，遠強于其吸附程度，且混合基質火山石/珍珠巖組均在2 d達到飽和狀態后去除率波動較大，吸附效果不穩定。不同混合基質對COD去除率的排序為：麥飯石+珍珠巖＞麥飯石+石灰石＞麥飯石+火山石。

圖7 不同混合基質對COD去除率的變化

表8 不同混合基質在吸附階段的COD去除率

3.3 不同基質再生階段對氨氮、TP和COD的去除效果

基于對吸附階段單一、混合基質的分析結果，對單一基質火山石、麥飯石以及混合基質麥飯石+石灰石、麥飯石+珍珠巖進行了吸附再生試驗，探究單一基質、混合基質在間歇運行后是否具有再生吸附能力。

3.3.1 不同基質在吸附再生階段的氨氮去除率 由表9和圖8可知，吸附再生階段的火山石與吸附階段相比，4 d內處于持續釋放的狀態，無吸附出現；麥飯石在吸附再生階段的再生吸附能力尚有保留。2種混合基質對氨氮的去除率，除混合基質火山石組在2 d時處于吸收階段，其余時間均處于釋放污染物階段，同時其飽和點極大值遠小于吸附階段，表明間歇處理對2種混合基質恢復氨氮吸附能力的效果不明顯。

圖8 不同基質在吸附再生階段對氨氮去除率的變化

表9 不同基質在吸附再生階段的氨氮去除率

3.3.2 不同基質在吸附再生階段的TP去除率 由表10和圖9可知，相較于氨氮，再生階段混合基質火山石組對TP呈現出較好的吸附效果；而混合基質珍珠巖組對TP的去除率均為負值，對TP無吸附能力，這與吸附階段以及吸附再生階段對氨氮的吸附表現一致。火山石出現吸附和釋放交替的情況，污水處理效果不穩定，無法保證其持續運行。麥飯石對TP的整體去除效果比火山石好，其在3 d前的去除率效果整體偏好，在周期末才失去吸附作用。但無論是單一基質還是混合基質，去除率均在2 d或3 d就已經出現飽和點，說明再生階段的吸附效果仍比較微弱，這對人工濕地的維護和持續運行有一定的消極影響。

圖9 不同基質在吸附再生階段對TP去除率的變化

表10 不同基質在吸附再生階段的TP去除率

3.3.3 不同基質在吸附再生階段的COD去除率 由表11和圖10可知，相較于3.3.1和3.3.2這2節分析結果，再生功能在基質對COD的吸附過程上有所體現。混合基質珍珠巖組對COD的去除率恒為正值，對COD的吸附能力較微弱，說明其再生處理后僅對COD有吸附效果，但只有吸附階段能力的1/200。火山石、麥飯石和混合基質火山石組都出現了去除率極大值達到100.00%的現象，混合基質火山石組的最大極差出現在1 d和6 d。由極值可以看出：火山石的再生效果最好，與污水中的COD結合緊密；麥飯石的吸附效果波動明顯，去除率最高可達100.00%，直至6 d時出現最大釋放量72.96%，可以推斷在吸附再生階段混合基質麥飯石+火山石中麥飯石的吸附貢獻最大。

表11 不同基質在吸附再生階段的COD去除率

4 討論

人工濕地是基質—微生物—水生植物的復合生態系統［11］，其中基質是人工濕地的核心“構件”，在水質凈化中具有舉足輕重的作用。通過2個階段的試驗數據分析可知，各個基質在水力停留時間為3 d時，對水中污染物的去除效果較好，建議人工濕地的水力停留時間定為3 d，可為植物根系的物質吸收和微生物代謝提供較好環境。同時，無論單一基質還是混合基質，對所有污染物的去除效果不盡相同［12］。由于人工濕地基質吸附是一個有限過程，為了保證人工濕地的良好運行，需要定期更換基質，因此運營成本和吸附飽和基質的處理將會成為一個環境問題［13］。本文研究結果表明：6種單一基質中的陶粒對TP、COD的去除效果最好，去除率的最大值分別為83.63%、91.50%；麥飯石對氨氮的去除效果最好，去除率最大值可達61.81%；混合基質中，麥飯石+火山石對TP的吸附效果最好，去除率最大值達到58.93%。針對單一麥飯石的優良效果，通過開展吸附再生試驗發現，其再生后對氨氮的吸附仍具有良好效果，與吸附階段相比，其吸附再生階段對TP的吸附效能明顯提升。結合文獻［14-15］所述，對麥飯石可采用生物再生的方法延長其使用期限，這可為基質投入人工濕地前工作準備提供參考。

試驗過程中，珍珠巖、麥飯石+珍珠巖對氨氮和TP的吸附效果均不佳，但其對COD的去除效果最佳，可達100.00%，在吸附再生階段亦是如此，因此，珍珠巖對COD的去除有針對作用。在日常的水培植物中，常以珍珠巖吸附為主。查閱相關文獻［16-17］，在無土栽培中，磷作為植物生長必需的大量元素，適量濃度的磷肥可以明顯改善植物的生長狀況。珍珠巖主要的作用是穩定、儲水和控肥，而非提供植物生長所需元素，對不同配方的營養液反應敏感，又不至于吸收植物生長所需的磷素，因此，珍珠巖基質在無土栽培中應用廣泛。

因此在選擇人工濕地基質時，應側重選擇孔隙率大、易掛膜且吸附能力強的填料，從而提高對人工濕地污水中污染物質的吸附作用。再生吸附性的研究可以聚焦于基質的間歇持續性使用效果，可以為人工濕地的運行、養護等提供借鑒。因此，本研究結果可以為人工濕地的基質選擇和持續運行提供參考依據。