馬 超，丁 輝，，徐世民，孫貽超，鄧小文

（1.天津大學(xué) 化工學(xué)院化學(xué)工程系，天津300072；2.天津大學(xué) 精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心300072；3.天津環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津300191）

人工濕地是一種具有凈化污染物效果好、費(fèi)用低、易維護(hù)等特點(diǎn)的污水處理技術(shù)，它的系統(tǒng)配置可塑性強(qiáng)，對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)，而且有較好的有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除能力，除此之外其生態(tài)環(huán)境效益顯著。如今這項(xiàng)技術(shù)被大量應(yīng)用于處理城市生活污水[1]、垃圾滲濾液[2]和建筑排水[3]中。

人工濕地中的填料又稱濾料、基質(zhì)，它不僅為植物和微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)，還通過(guò)沉淀、過(guò)濾和吸附等作用直接去除顆粒態(tài)磷和水中懸浮物。人工濕地的微生物可以通過(guò)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)將污水中的氮元素轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀诺娇諝庵校瑥亩_(dá)到去除總氮的效果；同時(shí)微生物通過(guò)將有機(jī)物分解為CO2和H2O獲得生長(zhǎng)過(guò)程中所需要的能量，從而達(dá)到降低污水中COD的效果。微生物附著于填料上，所以填料的物理性質(zhì)（孔隙率、孔徑、比表面積等）和組成成分對(duì)于微生物生長(zhǎng)有很大的影響。綜上所述，選擇優(yōu)良的填料可以大大提高人工濕地的凈化能力。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究主要集中在種植植物后的人工濕地復(fù)合系統(tǒng)[4－5]和填 料本 身對(duì)氮 磷 的 固 定 吸 收 作 用[6－7]，而 對(duì) 于 填料在不種植植物而只附著微生物這一過(guò)程的基礎(chǔ)研究[8]和新型填料的開(kāi)發(fā)[9]比較少?；诮?jīng)濟(jì)型、實(shí)用性和可行性，通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了中空球型多孔新型填料（發(fā)明專利號(hào)：201010594065.5）通過(guò)接種好氧和厭氧微生物構(gòu)建垂直流人工濕地來(lái)處理城市污水，并選擇了另外四種常規(guī)填料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以期提高人工濕地對(duì)城市生活污水的凈化效率，同時(shí)比較微生物對(duì)于不同填料的適應(yīng)性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 填料性質(zhì)

此新型填料外部材質(zhì)塑料，通過(guò)將其做成直徑為5cm的多孔球型，其比表面積240m2m－3，孔隙率97%；中空部分填充燒結(jié)粘土。各種填料的物理性質(zhì)和元素含量如表1和表2：

表1 各種填料的物理性質(zhì)

表2 各種填料的元素組成

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用了5套人工濕地的試驗(yàn)裝置，編號(hào)1－5。每套實(shí)驗(yàn)裝置都如圖1所示，人工濕地填料實(shí)驗(yàn)裝置為內(nèi)徑為10cm、高度為100cm的垂直PVC柱，用金屬支架將管身固定，再填充不同的填料。實(shí)驗(yàn)柱分為好氧柱和厭氧柱兩部分，基質(zhì)填充于圓柱形柱身內(nèi)至管頂10cm處，管頂預(yù)留10cm的布水區(qū)和超高。柱身頂部與底部各有一個(gè)取樣口，一共2個(gè)取樣口。進(jìn)樣口采用蠕動(dòng)泵將水送入人工濕地填料柱，使得進(jìn)水流速容易控制。在每個(gè)好氧柱底部都安裝一個(gè)石質(zhì)空氣分布器，分布器另一端連接一個(gè)空氣泵，通過(guò)控制溶解氧（DO）來(lái)調(diào)節(jié)空氣流量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3 啟動(dòng)與運(yùn)行

系統(tǒng)進(jìn)水為儲(chǔ)存于水箱中的人工配制污水，化學(xué)需要氧量（COD）150mg／L、氨氮（NH3—N）36mg／L、硝氮（NO3—N）0mg／L，總氮（TN）36mg／L總磷（TP）8mg／L。在水力負(fù)荷率和水力停留時(shí)間分別為0.25m／d和3d的工況下，污水通過(guò)蠕動(dòng)泵首先進(jìn)入接種好氧細(xì)菌的好氧柱底部，在好氧柱頂部通過(guò)重力出水進(jìn)入接種好厭氧細(xì)菌的厭氧柱底部，最后于厭氧柱頂部通過(guò)重力出水進(jìn)入出水池，穩(wěn)定運(yùn)行10d，測(cè)試出水的COD、NH3—N、NO3—N、TN和TP。同時(shí)我們要測(cè)量體系系統(tǒng)pH、DO變化。

1.4 分析方法

COD、NH3—N、NO3—N、TN和TP測(cè)試都是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10]。其它的指標(biāo)：pH通過(guò)筆式pH計(jì)測(cè)定，DO通過(guò)溶氧儀測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 系統(tǒng)pH和DO討論

系統(tǒng)進(jìn)水的pH值大約維持在7.6左右，其變化范圍為7.5～8.0，對(duì)于硝化細(xì)菌是適合的。在適宜范圍內(nèi)，pH值越高對(duì)于硝化反應(yīng)促進(jìn)作用越大。好氧柱出水pH值維持6.8左右，其變化范圍為6.6～7.0，由于好氧微生物進(jìn)行硝化反應(yīng)將氨基氮轉(zhuǎn)化為硝基氮。好氧柱出水pH值對(duì)于反硝化細(xì)菌的生存略低[11]。

Paredes[12]等解釋溶解氧低于2.5mg／L時(shí)硝化反應(yīng)才會(huì)被抑制。本實(shí)驗(yàn)各好氧柱DO大約維持在3.0mg／L左右，其變化范圍為2.8～3.2mg／L，適于好氧微生物生長(zhǎng)；厭氧柱溶解氧處于0.5mg／L以下，變化范圍為0.2～0.6mg／L，適合于反硝化細(xì)菌適合生長(zhǎng)。

2.2 五種填料去污效果分析

2.2.1 COD的去除效果 各填料在水力負(fù)荷為0.25m／d條件下運(yùn)行對(duì)于COD的去除效果如圖2。由圖2知隨著時(shí)間的增加，COD去除效果會(huì)有緩慢增加，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初始階段的有機(jī)物含量足夠，大量微生物進(jìn)行繁殖，但是有些微生物并沒(méi)有在填料表面形成生物膜，有部分被水體沖走，但是隨著時(shí)間的增加，填料上的生物膜漸漸長(zhǎng)成，使得去除效果比實(shí)驗(yàn)初期要好，最終去除效果也達(dá)到了60%～90%。Li[13]等研究結(jié)果說(shuō)明垂直流人工濕地有機(jī)物去除效果比較好，這與本實(shí)驗(yàn)中各種填料組成的垂直流人工濕地有機(jī)物去除效果都很好相吻合。

圖2 各種填料COD去除效果

由圖知2，新型填料的去除效果還是最好的，并且達(dá)到很高去除效果的時(shí)間比較短。這是因?yàn)椋海?）新型填料外部是塑料，塑料的表面比較光滑，有利于微生物的附著生長(zhǎng)，所以達(dá)到平衡的時(shí)間比其他的填料要短；（2）新型填料比表面積大于其它的填料所以在它表面的微生物生長(zhǎng)量比其它的填料要多。其它幾種填料相比，沸石的孔徑要小于其他的填料所以掛膜時(shí)間比其它的填料要長(zhǎng)，但是它的孔隙率和比表面積比較大，所以最終它的效果并不差。麥飯石比表面積較小所以附著微生物量比較少，效果相比比較差。生物陶粒外表也比較光滑，容易掛膜，所以也很快達(dá)到很好的效果，但是由于堆密度比較小，所以效果不如新型填料。

2.2.2 TP的去除效果 由圖3知，新型填料的效果比其它的填料要好，這是因?yàn)椋?）新型填料中 Mg、Ca的含量比較高，容易和磷酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其吸附在表面；（2）由于新型填料中的燒結(jié)粘土比表面積比較大，所以吸收的磷比較多；（3）新型填料的孔徑也比較大，使得污水中的磷元素可以更容易和填料接觸。這也符合Cui[14]等的研究結(jié)果。

圖3 各種填料TP去除效果

2.2.3 TN去除效果 由圖4知實(shí)驗(yàn)初期氨氮去除效果比較好，隨著時(shí)間慢慢加長(zhǎng)，去除效果會(huì)略有所下降。這是由于實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段各條件良好：溶解氧充足，填料上吸附的銨根離子也足夠硝化細(xì)菌使用，同時(shí)水體中有機(jī)物含量比較大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始一定階段后，隨著微生物大量繁殖，水體有機(jī)物不能滿足微生物需求，非硝化好氧細(xì)菌將會(huì)消耗一部分水體中的營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致硝化反應(yīng)效果變差；并且吸附在填料上的銨根離子量也不足以保證硝化細(xì)菌的新陳代謝正常進(jìn)行。但是最終填充了各種基質(zhì)的好氧柱氨氮去除率大約在80%～100%，這是因?yàn)橄趸?xì)菌生長(zhǎng)要求條件簡(jiǎn)單，且水體中溶解氧可以達(dá)到好氧細(xì)菌成活比例，此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也符合Faulwetter[15]等關(guān)于垂直流人工濕地的硝化效果比較好的理論。

五個(gè)填料柱相比，生物陶粒和石英砂的效果是最差的，這是因?yàn)檫@兩種填料的鋁和硅的含量比其他的填料要低，吸附銨根的能力要差一些。同時(shí)這兩種填料的孔隙率也不是很大，微生物生長(zhǎng)量也沒(méi)有其他填料大。同時(shí)新型填料的吸附以及去除效果還是比較好的。

圖4 氨氮去除效果

圖5 硝氮去除效果

進(jìn)入?yún)捬踔械闹黧w是硝基氮，從厭氧柱中出來(lái)的水硝基氮的含量慢慢降低，經(jīng)過(guò)大約5～6d的時(shí)間后達(dá)到平衡。與氨氮去除率相比，硝氮去除效果比較差，這與Vymazal[16]研究結(jié)果相符。

由圖知，新型填料的去除效果排在第二位，但是它達(dá)到平衡的時(shí)間比較短。這是因?yàn)椋?）塑料的表面比較光滑，有利于微生物的附著生長(zhǎng)，所以達(dá)到平衡的時(shí)間比其他的填料要短；2）內(nèi)部的燒結(jié)粘土材質(zhì)孔徑比較大，也有利于微生物的附著；3）其它的填料外部沒(méi)有一層塑料填料，進(jìn)水含有一定量的氧氣，填料表面與進(jìn)水直接接觸，所以在表面不能形成厭氧條件。同時(shí)由于新型填料微生物量大量增長(zhǎng)，使得水中的有機(jī)物不能夠支持更多的反硝化細(xì)菌，同時(shí)其它厭氧菌和反硝化細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)，反硝化細(xì)菌會(huì)部分死去，導(dǎo)致后來(lái)的效果比開(kāi)始時(shí)要差一些。沸石的吸收效果比較好，但是達(dá)到平衡的時(shí)間比較長(zhǎng)，這是因?yàn)榉惺目讖奖容^小，所以微生物附著時(shí)間比較長(zhǎng)，但是沸石的孔隙率和比表面積比較大，總的吸收量還是很大的。生物陶粒達(dá)到平衡的時(shí)間比較短，但是效果比較一般，因?yàn)樗闹睆奖容^大，所以堆積密度比較小，有效地掛膜面積比較小。石英砂無(wú)論從掛膜時(shí)間還是吸收量上都是中等。

圖6 總氮去除效果

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，各種填料有機(jī)物去除率比氮磷去除率都要高，這符合Karajic[17]等人的研究結(jié)果。由圖可知，新型填料和沸石對(duì)于總氮的去除效果最好，其它填料效果一般，只有不到50%，這是因?yàn)椋?）石英砂和生物陶粒在好氧柱中并沒(méi)有完全把氨基氮轉(zhuǎn)化為硝基氮，導(dǎo)致了經(jīng)過(guò)厭氧柱后仍然有部分氨基氮，增加了總氮的含量；2）麥飯石在厭氧柱這部分效果比較差，導(dǎo)致了它的總氮去除率比較低。新型填料在處理氮元素時(shí)比沸石速率要快，而且比沸石輕便易于安裝。

3 結(jié) 論

1）本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將新型填料填充于好氧、厭氧交替的小型人工濕地系統(tǒng)中，增加了附著于填料上的微生物量從而強(qiáng)化了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于污染物的吸收能力。運(yùn)行結(jié)果表明在系統(tǒng)進(jìn)水COD 150mg／L、NH3－N 36mg／L、總磷TP 8mg／L、總氮TN 36mg／L、水力負(fù)荷率為0.25m／d的工況下，新型填料在對(duì)污水的COD、NH3－N、TN和TP的去除率提高了大約10%左右，顯示了新型填料在幾種填料中最佳的綜合去污效果，說(shuō)明新型填料在生活污水處理發(fā)面有良好的潛力。

2）本濕地填料其原料均來(lái)源于聚氯乙烯、聚丙烯、維尼綸或尼龍等廢棄塑料，以及燒結(jié)粘土，從而擁有重量輕，來(lái)源廣的特點(diǎn)，為找到適合于處理城市生活污水的填料從而減小人工濕地在城市中的占地面積和延長(zhǎng)人工濕地使用年限提供一定的參考。

[1]JAN V，LENKA K.A three－stage experimental constructed wetland for treatment of domestic sewage：first 2years of operation[J].Ecological Engineering，2011，37（1）：90－98.

[2]SUNDBERG C，TONDERSK K，LINDGREN PE.Potential nitrification and denitrification and the corresponding composition of the bacterial communities in a compact constructed wetland treating landfill leachates [J]. Water Science and Technology，2007，56（3）：159－166.

[3]R GR，JEREMY K，BEN S，et al.Role of sulfur－reducing bacteria in a wetland system treating acid mine drainage[J].Science of the Total Environment，2008，394（2－3）：222－229.

[4]SKLARZ MY，GROSS A，YAKIREVICH A，et al.A recirculating vertical flow constructed wetland for the treatment of domestic wastewater[J].Desalination，2009，246：617－624.

[5]CHENG XX，CHEN WY，GU BH，et al.Morphology，ecology，and contaminant removal efficiency of eight wetland plants with differing root systems[J].Hydrobiologia，2009，623：77－85.

[6]劉波，陳玉成，王莉瑋，等.4種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4（1）：44－48.LIU BO，CHEN YU－CHENG，WANG LI－WEI，et al.Phosphorus adsorption characteristics of four substrates in constructed wetland[J].Chinese Journal of Environmental Engineering，2010，4（1）：44－48.

[7]李日強(qiáng)，李松檜，王江迪.沸石的活化及其對(duì)水中氨氮的吸附[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（8）：1618－1624.LI RI－QIANG，LI SONG－HUI，WANG JIANG－DI.Zeolite activation and ammonia－nitrogen removal from wastewater by adsorption on activated zeolite[J].Acta Scientiae Circumstantiae，2008，28（8）：1618－1624.

[8]CHOI JH，KANG HJ，PARK SS.Comparison of enzyme activities in vegetated and nonvegetated sediments[J].Journal of Environmental Engineering，2009，135（5）：299－305.

[9]王煒亮.新型陶瓷填料用于曝氣生物濾池可行性試驗(yàn)研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（3）：138－144.WANG WEI－LIANG.Feasibility analysis on new ceramic fillers loading in biological aerated filter[J].Journal of Chongqing Jianzhu University，2010，32（3）：138－144.

[10]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第4版）[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[11]QIU LP，ZHANG SB，WANG GW，et al.Performances and nitrification properties of biological aerated filters with zeolite，ceramic particle and carbonate media[J].Bioresource Technology，2010，101（19）：7245－7251.

[12]PAREDE D，KUSCHK P，MbWETTE TSA，et al.New aspects of microbial nitrogen transformations in the context of wastewater treatment：a review[J].Engineering in Life Sciences，2007，7（1）：13－25.

[13]LI Y，BISWAS DK，NIAN Y，et al.Potential of constructedwetlands in treating the eutrophic water：evidence from Taihu Lake of China[J].Bioresourse Technology，2008，99：1656－1663.

[14]CUI LH，OUYANG Y，LOU Q，et al.Removal of nutrients from wastewater with Canna indica L.under different verticalflow constructed wetland conditions[J].Ecological Engineering，2010，36：1083－1088.

[15]FAULWETTER JL，GANGNON V，SUNDBERG C，et al.Microbial processes influencing performance of treatment wetlands：a review[J].Ecological Engineering，2009，35（6）：987－1004.

[16]VYMAZAL J.Removal of nutrients in various types of constructed wetlands[J].Science of the Total Environment，2007，380：48－65.

[17]KARAJI M，LAPANJE A，RAZINGER J，et al.The effect of the application of halotolerant microorganisms on the efficiency of a pilot－scale constructed wetland for saline wastewater treatment[J].Journal of the Serbian Chemical Society，2010，75（1）：129－142.