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(guò)測(cè)定各裝置中污染物的去除率來(lái)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(duì)污染物的去除效果更好，且在進(jìn)水口填充大粒徑基質(zhì)對(duì)污染物的綜合去除效率更高；陶粒對(duì)各項(xiàng)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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新興的生態(tài)污水處理技術(shù)，因其具有建造及運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)管理方便，處理效果好，適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛運(yùn)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(zhǎng)和微生物附著的重要載體，其本身也通過(guò)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(duì)污染物去除能力強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)易得的基質(zhì)，研究人員做了大量的實(shí)驗(yàn)，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(duì)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(xiàng)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(duì)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(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(jìn)水口設(shè)置在管底，污水由管底的圓形穿孔布水管進(jìn)入，進(jìn)水管上端接高位水箱。如圖1所示。

試驗(yàn)所用陶?；|(zhì)主要成分為偏鋁硅酸鹽，表觀(guān)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(shí)驗(yàn)，各組實(shí)驗(yàn)基質(zhì)填充方式如表1所示。

1.2 進(jìn)水特性及運(yùn)行方式

實(shí)驗(yàn)用水取自某小區(qū)化糞池處理后的生活污水，水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)運(yùn)行的模式，水力負(fù)荷控制在2～2.5m3/m2·d。定期采樣（每周三、六），測(cè)定出水的pH、CODcr、TN、TP等指標(biāo)。

1.3 水質(zhì)分析測(cè)定方法

水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法均取自于《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[ 4 ]：pH值的測(cè)定采用PHS-3TC型酸度計(jì)，COD采用重鉻酸鉀法；TN采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；TP采用過(guò)硫酸鉀消解法。測(cè)定結(jié)果運(yùn)用Excel中分析數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)各裝置中污染物指標(biāo)去除率進(jìn)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(jìn)水及各裝置出水的pH值如表3所示。可以看出，3組實(shí)驗(yàn)裝置出水的pH值均高于進(jìn)水的pH值，測(cè)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(shuō)明基質(zhì)的填充方式對(duì)出水pH值無(wú)顯著影響。

2.2 各裝置對(duì)COD的去除效果

人工濕地系統(tǒng)中，有機(jī)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(jī)物被濕地系統(tǒng)中的基質(zhì)截留下來(lái)，為部分兼性或厭氧微生物所利用；溶解性有機(jī)物則通過(guò)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(duì)有機(jī)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(fù)荷和有機(jī)負(fù)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(jī)物。裝置③表層填充小粒徑陶?；|(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(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)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(duì)TN的去除效果

人工濕地系統(tǒng)對(duì)氮的去除方式包括植物的吸收，基質(zhì)的吸附過(guò)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(duì)氮素的去除效率存在一定的波動(dòng)，且裝置③的填充方式下TN的去除效率更高。在實(shí)驗(yàn)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(guò)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(yùn)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(wú)法去除，進(jìn)而導(dǎo)致TN的去除效率下降；后段由于系統(tǒng)反硝化細(xì)菌作用的增強(qiáng)，TN的去除效率出現(xiàn)了回升[ 7 ]。

2.4 各裝置對(duì)TP的去除效果

各實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)磷素的去除效果如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)初期，人工濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除率就達(dá)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(yùn)行時(shí)間的增加，濕地系統(tǒng)對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(jìn)水口處填充小粒徑基質(zhì)對(duì)COD的去除更加有利；而在TN、TP的去除方面，采用進(jìn)水口處填充大粒徑基質(zhì)的方式效果更好。3）陶?；|(zhì)對(duì)垂直流人工濕地系統(tǒng)中COD、TN、TP去除效率較無(wú)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(xiàn)：

[1] 籍國(guó)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(duì)豬場(chǎng)廢水有機(jī)物處理效果的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（1）：113-117.

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

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