侯佳

（天津市南水北調(diào)曹莊管理處，天津　300112）

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人工濕地中不同填料理化性質(zhì)的研究

侯佳

（天津市南水北調(diào)曹莊管理處，天津300112）

摘 要：人工濕地生態(tài)處理作為一種自然生物處理方法，可以改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。填料是人工濕地的重要組成部分，濕地中的填料一方面為微生物生長提供穩(wěn)定的依附表面，同時也為水生植物生長提供了載體和營養(yǎng)物質(zhì)。選擇天津地區(qū)常見、經(jīng)濟(jì)上可行的人工濕地基質(zhì)填料為研究對象，通過室內(nèi)試驗測定它們的理化性質(zhì)，為后續(xù)潛流人工濕地系統(tǒng)的建立選擇合適的基質(zhì)填料提供理論依據(jù)。通過研究比較，認(rèn)為將頁巖與粗礫石組合使用是一個雙贏的填料選擇方案。

關(guān)鍵詞：人工濕地；填料研究；理化性質(zhì)；填料粒徑；干容重；孔隙率

人工濕地是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，作為一種自然生物處理方法，能夠改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。它主要是利用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生的原理和結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)的原則，在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益。

筆者選擇天津及周邊地區(qū)常見的以及經(jīng)濟(jì)上可行的人工濕地基質(zhì)填料為研究對象，通過室內(nèi)試驗測定它們的理化性質(zhì)，為后續(xù)潛流人工濕地系統(tǒng)的建立選擇合適的基質(zhì)填料提供可靠的理論依據(jù)。填料是人工濕地的重要組成部分，濕地中的填料一方面為水生植物生長提供了載體和營養(yǎng)物質(zhì)，同時也為微生物的生長提供了穩(wěn)定的依附表面。此外，填料本身也可以通過一些物理或化學(xué)的方法（如吸收、吸附、過濾、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等）來去除污水中的N、P等物質(zhì)。在潛流人工濕地體系的構(gòu)建中，填料的選擇有著非常重要的作用和意義。

1試驗材料與方法

供試填料有粗礫石、細(xì)礫石、鐵礦石、頁巖。將上述待測填料先用自來水清洗干凈，至pH值不變?yōu)橹?，然后用去離子水浸泡24 h，最后放到電熱恒溫干燥箱烘干備用。

1.1孔隙率η測定

將待測填料裝入1 000 mL量筒壓實至1 000 mL刻度線，然后向量筒中緩慢加水，直至水面線穩(wěn)定在1 000 mL刻度線為止，將每次加入的水量體積求和計算加入水量總體積。根據(jù)加水量的總體積V水及填料柱總體積V總，按下式計算每種填料的孔隙率：

1.2干容重ρ測定

取一定體積的待測填料，用電子秤稱量其質(zhì)量。根據(jù)所得填料的質(zhì)量M和填料體積V，按下式計算每種填料的干容重：

1.3水力滲透系數(shù)K測定

水力滲透系數(shù)K測定原理為達(dá)西定律，試驗裝置為達(dá)西滲透儀，如圖1所示。達(dá)西滲透儀高130 cm，內(nèi)徑10 cm，在10、20、110、120 cm處設(shè)置4根測壓管，其中中間2根主要用來測定填料滲透系數(shù)、其余2根起對比檢驗結(jié)果的作用，測壓管管徑10 mm。在滲透儀的底部5 cm處設(shè)置1個帶孔隔板，用于透水及防止填料隨水流沖走流失。測定滲透系數(shù)前，先用自來水將填料浸潤24 h，使填料充分濕潤并排出填料孔隙中的空氣，然后用復(fù)興河河水作為試驗用水。試驗過程中通過控制閥使水緩流經(jīng)過達(dá)西滲透儀中的填料柱，多余的水通過溢流以保持水位的穩(wěn)定，并記錄水位穩(wěn)定后水流流經(jīng)填料柱的流量和各測壓管的水壓。開始時先測定水流方向向下時的水流流量及各測壓管的水壓，每次測定時1種填料測定4個不同流量水平，1個流量水平重復(fù)進(jìn)行4次。為測定水流方向?qū)μ盍蠞B透系數(shù)的影響，通過改變水流方向（即下面進(jìn)水、上面出水）重復(fù)上述試驗。

圖1 達(dá)西滲透儀

根據(jù)水頭損失及其對應(yīng)流量測定結(jié)果，按下述公式計算每組測驗的水力滲透系數(shù)：

式中：K為水力滲透系數(shù)（cm/s）；ΔL為兩測壓管間的距離（cm）；ΔH為水流經(jīng)兩測壓管間的水頭損失（cm）；H1，H2分別為兩測壓管的水壓（Pa）；Q為水流通過填料柱的流量（mL/s）；A為填料柱截面積（cm2）。

之后，將同種填料的水力滲透系數(shù)測定結(jié)果進(jìn)行平均，作為該填料的水力滲透系數(shù)。

1.4粒徑級配測定

取烘干后的填料若干，用不同孔徑土壤篩對上述待測填料進(jìn)行篩分，記錄各粒徑填料的質(zhì)量，計算不同粒徑填料質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。

2　結(jié)果與分析

2.1填料粒徑級配分析

按上述粒徑級配測定方法，測得鐵礦石、粗礫石、細(xì)礫石和頁巖填料的粒徑分布，如圖2—5所示。

圖2 鐵礦石級配曲線

圖3 粗礫石級配曲線

圖4 頁巖級配曲線

圖5 細(xì)礫石級配曲線

從圖2—5可以看出，不同的填料粒徑分布是不同的，其級配曲線形狀也不同。頁巖粒徑分布較均勻；粗礫石與細(xì)礫石粒徑分布單一，大約70%左右的顆粒分別分布在10～20、7～10 mm。

2.2填料干容重及孔隙率分析

根據(jù)干容重和孔隙率的測定方法，測定4種待測填料的干容重和孔隙率，結(jié)果見表1。

表1　各種填料干容重和孔隙率

根據(jù)表1可知，待測填料中粗礫石的孔隙率最大，其次是頁巖、細(xì)礫石和鐵礦石；鐵礦石的干容重最大，頁巖最小。綜合考慮干容重和孔隙率，發(fā)現(xiàn)頁巖是一種輕質(zhì)多孔、持水性較好的填料，適合對污染物吸附去除，而鐵礦石可能最不宜作為吸附填料。

2.3填料水力滲透系數(shù)分析

本試驗在室內(nèi)室溫20℃條件下進(jìn)行，試驗材料分別選取粗礫石、細(xì)礫石、鐵礦石、頁巖4種單一填料以及粗礫石與鐵礦石混合、鐵礦石與細(xì)礫石混合、頁巖與粗礫石混合3種混合填料共7種試驗填料進(jìn)行測定。填料裝好后先用自來水浸泡過夜，然后以復(fù)興河水（COD91.21mg/L、TN6.07mg/L、TP1.20mg/L）作為試驗用水。為了解水流方向?qū)λB透系數(shù)的影響，試驗過程中分別測定了向上流和向下流2種水流方向上的水力滲透系數(shù)，測定結(jié)果見表2。

表2　不同填料水力滲透系數(shù)測定結(jié)果cm/s

從表2可以看出，7種填料中粗礫石水力滲透系數(shù)最大，混合填料中細(xì)礫石與鐵礦石混合填料水力滲透系數(shù)最小。單一填料水力滲透系數(shù)從大到小的排序為：粗礫石＞鐵礦石＞細(xì)礫石＞頁巖。單一填料粗礫石水力滲透系數(shù)較大的原因主要是其平均粒徑相對較大，并且粒徑分布較為單一，主要集中在10～25 mm；而鐵礦石和頁巖填料盡管平均粒徑也相對較大，與粗礫石基本相同，但二者由于粒徑粗細(xì)不均勻，致使其水力滲透系數(shù)值減少，尤其是頁巖，由于各種粒徑的顆粒參雜、所占比例比較均勻，其水力滲透系數(shù)值最小。細(xì)礫石雖然粒徑分布較為單一，但由于其平均粒徑較小，其水力滲透系數(shù)也相對較小。

此外，混合填料的水力滲透系數(shù)都在各單一填料的水力滲透系數(shù)之間。水流方向不同，水力滲透系數(shù)也不同，水流向上的K值相比水流向下的K值要大。因此，在計算統(tǒng)計復(fù)合垂直流人工濕地水頭損失時，上行流和下行流應(yīng)該分別進(jìn)行計算，這樣得出的結(jié)果才較為科學(xué)合理。

3　小結(jié)

通過對不同填料的理化性質(zhì)試驗，對比了頁巖、粗礫石、鐵礦石、細(xì)礫石以及它們組合的理化性質(zhì)，得出結(jié)論：單一填料中的細(xì)礫石物理性質(zhì)優(yōu)越，但去污能力有限，不滿足人工濕地長期運行凈化污水的要求；頁巖是較為理想的人工濕地去污填料；粗礫石、鐵礦石雖然污染物的去除率不算太高，但二者的顆粒較粗、透水性較好、強(qiáng)度也較高，可以考慮作為人工濕地的基質(zhì)來進(jìn)行使用。而在組合填料中，鐵礦石與粗礫石的組合去污性能較差，而頁巖與粗礫石的組合具備較強(qiáng)的TN、TP去除能力。此外，單一填料頁巖強(qiáng)度低、透水性較差，作為單一填料長期使用可能會導(dǎo)致堵塞，進(jìn)而造成污水短路或出現(xiàn)死水區(qū)現(xiàn)象。因此，將頁巖與粗礫石組合使用應(yīng)是一個雙贏的填料選擇方案。

人工濕地生物生態(tài)集成技術(shù)具有運行成本低、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，可以實現(xiàn)我國村鎮(zhèn)生活污水的處理和資源的再生利用，有利于全面落實科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)生態(tài)小城鎮(zhèn)和文明村，同時可以大力提升我國廣大農(nóng)村的環(huán)境質(zhì)量，因此具有較大的應(yīng)用價值和推廣的前景。

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中圖分類號：X524

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）03-0057-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.018

收稿日期：2016—01—29

作者簡介：侯佳（1983—），女，工程師，主要從事南水北調(diào)輸水運行管理工作。