水力负荷对不同填料组成的人工湿地模型去除率影响的初步研究

钟若宁（浙江省舟山海洋生态环境监测站）

水力负荷对不同填料组成的人工湿地模型去除率影响的初步研究

钟若宁（浙江省舟山海洋生态环境监测站）

为了探究不同的水力负荷对人工湿地模型去除率的影响，构造了2个不同的人工湿地系统，一个人工湿地系统的填料主要由砾石、火山岩包埋固定化填料、强化除磷填料组合而成，另一个则全是砾石组成的填料人工湿地系统，通过测定不同水力负荷下湿地系统对总磷、总氮的去除效果，来比较2种湿地的去除效果。通过本文可以得到以下结论：功能填料提高了湿地对总磷的去除效果，总体上在实验设定的水力负荷条件下，总氮、总磷的去除率随着水力负荷增加而降低。

人工湿地；水力负荷；除磷；填料

引言

随着我国经济的发展，需处理的污水量越来越大，处理要求越来越高。但现有的污水处理技术由于其高昂的投资和运行费用，使得各种二级、三级处理技术难以大面积推广。20世纪70年代提出的一种经济有效的污水处理手段——人工湿地技术，为综合解决上述问题提供了一种新的选择［1］。人工湿地污水处理系统是在自然或半自然净化系统的基础上发展起来的污水处理技术，具有造价低、运行费用低和处理效果良好等优点［2］。同时它又将污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水同时创造城市生态景观，因此被许多国家广泛应用。人工湿地对污染物质的去除是填料吸附、植物吸收和微生物去除三种途径共同作用的结果［3］。研究发现，影响人工湿地氮磷去除效果的因素，有湿地基质、植物种类、微生物、水力负荷、污水负荷、停留时间、处理工艺、填料及布水方式等.水力负荷（HL）对人工湿地去除污染物效果会产生一定影响［3］。

填料是人工湿地的基质与载体，它支持着人工湿地动植物与微生物的生命过程，填料对污染物的成功截留为后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重要保证。人工湿地填料对污染物的去除过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用和沉降反应等［4］。人工湿地脱氨除磷，其主要原理是通过湿地中的填料、植物和微生物来完成脱氨除磷，具有投资少，运行维护方便，经过优化后处理效果好等特点。在实际工程应用中，选择填料应根据其氨和磷吸附效率、水利传导性、材料易得性、价格等因素综合考虑，可以构建合适的功能填料以强化人工湿地脱氨除磷的作用。本实验选择砾石、火山岩、水泥、生石灰、红土等几种不同材料构建功能填料，探究人工湿地的运行情况以及比较2种人工湿地氮磷的吸附特性。

水力负荷对人工湿地去除污染物效果也会有一定的影响，实验通过控制进水量，来探究水力负荷改变使去除率也变化的规律。

1研究目的

通过构建两种不同结构的人工湿地模型：①人工湿地所用的填料为普通砾石；②人工湿地填充的填料则为强化除氨填料、强化除磷填料和普通砾石组合在一起的三段式填料，来了解两种不同人工湿地对河水水质净化性能的差异。通过改变水力负荷，研究不同的水力负荷对人工湿地模型去除率的影响。

2研究方法

2.1水质测试方法

水质测试方法：总磷的分析方法是钼锑抗光度法，总氮的分析方法是紫外分光光度法。

2.2实验仪器装置及材料

2.2.1实验装置

实验设计2个湿地系统，每一个湿地系统尺寸为长50cm，宽35cm，高28cm。一个人工湿地内部填充填料为砾石。另一个内部等分为3部分，分别装入砾石、火山岩包埋固定化填料、强化除磷填料。2个湿地内的填料高度大致相同。并且分别在湿地系统中种植生长状态相似的美人蕉。进水的圆桶放置在湿地系统的上部，水流因重力作用留下，通过塑胶管流入系统中。同时，系统内部距基准地面高度约23cm处为直径20mm聚乙烯穿孔出水管。装置完成后取河水，分为五组水力负荷依次为0.114m3/m2d，0.137m3/m2d，0.16m3/m2d，0.183m3/m2d，0.228m3/m2d。五组实验天数除第一组为15d外，其余四组都为10d。随时利用螺旋夹调整控制水流速度。保持一天内进水时间在20h左右。

2.2.2实验材料

实验用的进水取自温州大学城南校生活A区旁的河流，实验用的植物为美人蕉。实验基本材料包括火山岩、水泥、外加剂、红土及砾石等。火山岩购自上海，水泥、红土、外加剂购自温州，砾石购自温州大学城附近工地。火山岩包埋固定化填料的制作：取自来水12L，每95ml加入浓缩菌液约5ml（菌液约为64ml），搅拌均匀。在80℃左右配制3%的海藻酸钠溶液12L，冷却后，与菌液按照1：1混合均匀。将火山岩石放置于上述菌液中，浸没一天，使其吸满菌液。另取一大容器，倒入约72L的4%的氯化钙溶液中，将火山岩用手一把把加入到氯化钙溶液中，避免大量一起导入，放置24h后，去除上清液即可。强化除磷填料的制作：按照体积比例（总体积约为35.28L），用水量占总体积的32%（即约为4.0L），水泥用量占总体积的29%（即约为3.5L），生石灰（氧化钙）占总体积 0.5%（即约为65L），红土占其余的体积比例（即约为4.8L），进行混合搅拌，混匀后切割成大约3cm的方块，干化约7d使用。

2.2.3实验仪器

实验所用的仪器：电子天平型号：JB/T5374，哈希消解炉型号STD3101-1，紫外可见分光光度计型号T6新世纪，立式压力蒸汽灭菌器。

3结果与分析

不同水力负荷条件下，1号装置为实验组 （三段式），2号装置为对照组（全为砾石）：实验所得数据共50组，每个系统25组，每个系统的1～5组每天取河水20L每3天测一次，6～10组每天取河水24L每2天测一次，11～15组每天取河水28L每2天测一次，16～20组每天取河水32L每隔2天测一次，21～25组每天取河水40L每隔2天测一次。

3.1不同人工湿地对总氮的处理特征

1号装置中进水总氮平均浓度约7.873mg/L，1号装置出水的水总氮的平均浓度约5.715mg/L，1号装置的平均去除率约为42.64%。2号装置中进水总氮的平均浓度约为8.327mg/L，2号装置出水的总氮的平均浓度约为6.011mg/L，2号装置的平均去除率约为43.61%。

在人工湿地中总氮包括有机氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮。在湿地中氮主要通过水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的挥发等途径被除去［4］。本实验在室内进行，两个系统的植物数量相等，植物种类一样，生长状态相似，所以总氮的去除主要差异在于填料吸附、离子交换等作用。

不同水力负荷下不同湿地对总氮的去除率平均值为：第1～5d，1号装置去除率25.71%，2号去除率34.46%；第6～10d，1号装置去除率37.02%，2号去除率38.55%；第11～15d，1号装置去除率56.71%，2号去除率53.61%；第16～20d，1号装置去除率50.95%，2号去除率48.05%；第21～15d，1号装置去除率42.85%，2号去除率46.68%。

从装置1的数据看，随着水力负荷的增加，去除率先增加后减小。同样，装置2的数据也体现出随水力负荷增加，去除率先上升后下降的趋势。这说明可能有个最优水力负荷，那时的总氮去除率最高，超过最优水力负荷后，总氮去除率就开始下降了。

3.2不同人工湿地对总磷的处理特征

1号装置中进水总磷的平均浓度约为0.406mg/L，1号装置出水的总磷的平均浓度0.189mg/L，1号装置的平均去除率约为46.68%。2号装置中进水总磷的平均浓度约为0.278mg/L，2号装置出水的总磷平均浓度约为0.171mg/L，2号装置的平均去除率约为41.49%。从实验数据上看出1号装置除磷效果比2号装置除磷效果好。1号装置和2号装置前期浓度大，且上下波动大，后期浓度降低，趋于平缓稳定。

关于湿地除磷机理基本上有以下一些途径：填料的吸附、化学作用、植物和藻类吸收、与有机物结合、微生物的正常同化和过量积累等。其中填料对磷的吸附被认为是最有效的机制［5］。本实验在室内进行，两个系统的植物数量相等，植物种类一样，生长状态相似，所以总磷的去除主要差异在于填料吸附沉降作用。

不同水力负荷下不同湿地对总磷的去除率平均值为：第1～5d，1号装置去除率26.45%，2号去除率37.55%；第6～10d，1号装置去除率54.39%，2号去除率24.51%；第11～15d，1号装置去除率56.89%，2号去除率50.78%；第16～20d，1号装置去除率50.08%，2号去除率46.88%；第21～25d，1号装置去除率45.57%，2号去除率46.76%。

从实验上看，开始系统不稳定，有波动，后来逐渐稳定后，有个最优水力负荷，那时的总磷去除率最高，超过最优水力负荷后，总磷去除率就开始下降了。随着实验的进行，日进水量的增加。去除效率渐渐稳定且效果显著。1号装置（三段式）效果优于2号装置（全是砾石）。

4结论与展望

实验结论：

（1）从总氮的去除率上看，1号装置的平均去除率约为42.64%，2号装置的平均去除率约为43.61%。功能填料和全是砾石的去除效果差不多。有待进一步研究。

（2）从总磷的去除率上看，1号装置的平均去除率约为46.68%，2号装置的平均去除率约为41.49%。功能填料的去除率明显优于全是砾石。

（3）不同的水力负荷对人工湿地的去除率有影响，存在着最优水力负荷，超过了最优水力负荷的话，总体上随着水力负荷增加，人工湿地去除率降低。

人工湿地污水处理具有巨大的综合效益。越来越多的国家已经开始重视起人工湿地的进一步发展和改良。从此次实验中也可看出，稍微改进一下填料，就会有不同的效果出现。本实验在去除总磷和总氮的湿地填料选择方面提供了一些参考，但也有一部分数据缺乏明显的规律性和稳定性。想要将人工湿地的效果最优的展现，还需要探究许多地方。我国对人工湿地污水处理技术起步研究较晚，对该领域还缺乏认知，与国外差距较大。但人工湿地特点非常适合我国国情。不久后人工湿地在我国有望被普遍采用，人工湿地处理污水前景被看好。

［1］贾滨洋，刘 宜.人工湿地处理污水的机理与其应用前景［J］.四川环境，2008，27（1）：81～86.

［2］凌 祯，杨具瑞，于国荣.不同植物与水力负荷对人工湿地脱氮除磷的影响［J］.中国环境科学，2011，31（11）：1815～1820.

［3］白晓慧，王宝贞.人工湿地污水处理技术及其应用发展［J］.哈尔滨工业大学学报，1999，32（6）：89～90.

［4］杨 敦，周 琪.人工湿地脱氮技术的机理及应用［J］.中国给水排水，2003，1（19）：24～25.

［5］钟成华，李 杰，邓春光.人工湿地废水处理中氮、磷去除机理研究［J］.重庆建筑大学学报，2008，30（4）：141～146.

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2016-6-29