人工湿地陶粒基质不同布置方式净化效果研究

徐威 龙泉 刘勇

摘 要：本研究选取陶粒作为基质材料，设置了三种不同填充方式垂直流人工湿地模型，通过测定各装置中污染物的去除率来研究不同填充方式下垂直流人工湿地的净化效果。研究表明：分层填充方式对污染物的去除效果更好，且在进水口填充大粒径基质对污染物的综合去除效率更高；陶粒对各项污染物都具有很好的去除能力，适宜用作人工湿地基质材料。

关键词：人工湿地；陶粒；填充方式；去除效率

人工湿地技术是近年来迅速发展起来的一种新兴的生态污水处理技术，因其具有建造及运行费用低，维护管理方便，处理效果好，适用面广等优点，已被广泛运用与工业废水和生活污水的处理[ 1 ]。

基質，作为人工湿地的重要组成部分，是湿地系统中植物生长和微生物附着的重要载体，其本身也通过物理吸附和化学反应去除污水中的污染物[ 2 ]。为了寻找一种对污染物去除能力强且经济易得的基质，研究人员做了大量的实验，发现了多种新型人工湿地基质，如陶粒、钢渣、高炉渣等，但对于人工湿地中基质材料的填充方式研究较少[ 3 ]。为此，本研究依托项目《农村生活污水分散式人工湿地处理装置研究》，选取一种新型基质——陶粒作为研究对象，研究不同填充方式下垂直流人工湿地的净化效果，为人工湿地一体化装置的研发提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

实验装置选用内径250mm的PVC管制成，高度设置为1m，管内基质填充高度80cm。进水口设置在管底，污水由管底的圆形穿孔布水管进入，进水管上端接高位水箱。如图1所示。

试验所用陶粒基质主要成分为偏铝硅酸盐，表观为近球形不规则颗粒，深褐色，表面粗糙多微孔，比表面积大，化学性能稳定。选用两种不同粒径陶粒作为填料基质，设置3组实验，各组实验基质填充方式如表1所示。

1.2 进水特性及运行方式

实验用水取自某小区化粪池处理后的生活污水，水质指标参数见表2。实验采用连续运行的模式，水力负荷控制在2～2.5m3/m2·d。定期采样（每周三、六），测定出水的pH、CODcr、TN、TP等指标。

1.3 水质分析测定方法

水质指标的测定方法均取自于《水和废水监测分析方法》[ 4 ]：pH值的测定采用PHS-3TC型酸度计，COD采用重铬酸钾法；TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；TP采用过硫酸钾消解法。测定结果运用Excel中分析数据库，对各装置中污染物指标去除率进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 各装置出水pH值变化

进水及各装置出水的pH值如表3所示。可以看出，3组实验装置出水的pH值均高于进水的pH值，测得的pH值在7.9-8.4之间。三组装置出水pH值差异性不大（P>0.05），说明基质的填充方式对出水pH值无显著影响。

2.2 各装置对COD的去除效果

人工湿地系统中，有机物的去除是物理截留与生物吸附降解等共同作用的结果，不溶性有机物被湿地系统中的基质截留下来，为部分兼性或厌氧微生物所利用；溶解性有机物则通过植物根系及基质表面生物膜的吸附、生物代谢作用去除。

由图2可以看出，分层填充湿地系统对有机物的去除率高，装置③的去除效果更好。这主要是由于分层填充人工湿地系统中水流的分布更加均匀，基质床中水力负荷和有机负荷也均匀分布，避免了短流现象及死水区的出现，使得基质及基质表面的生物膜能够充分的拦截、吸附、降解有机物。装置③表层填充小粒径陶粒基质，比表面积大，附着的微生物数目更多，且表层O2浓度更高，有利于COD的降解。随着人工湿地系统的运行时间延长，COD的去除率逐渐升高，这主要与系统中微生物群落有关，初期系统中的微生物数量有限，随着时间的推移，微生物群落逐渐成熟稳定，COD的去除率也随之升高。

2.3 各装置对TN的去除效果

人工湿地系统对氮的去除方式包括植物的吸收，基质的吸附过滤，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应是最主要的去除途径。如图3所示，三组装置对氮素的去除效率存在一定的波动，且装置③的填充方式下TN的去除效率更高。在实验前期，均混填充方式下TN的去除效率低于分层填充，分层填充的方式可能更加有益于湿地系统中硝化和反硝化过程的合理分区，从而提高氮的去除效率。到了后期，随着湿地系统的运行，基质表面的生物膜不断积累，影响了氧气与微生物的接触，硝化反应受到了明显的抑制，氨氮无法去除，进而导致TN的去除效率下降；后段由于系统反硝化细菌作用的增强，TN的去除效率出现了回升[ 7 ]。

2.4 各装置对TP的去除效果

各实验装置对磷素的去除效果如图4所示，在实验初期，人工湿地系统对TP的去除率就达到了90%以上，不同基质填充方式下TP的去除效率差异很小。人工湿地系统中起主要脱磷作用的是填料基质的吸附和沉淀作用，占到了去除总量的90%以上。陶粒基质中含有大量的Al元素，与废水中正磷酸盐充分发生化学吸附反应，沉淀而去除。随着运行时间的增加，湿地系统对TP的去除效果略有下降，这可能是由于基质表面生物膜的积累，影响了磷素向基质的传质过程而导致的。

3 结论

1）人工湿地系统中，基质分层填充对污染物的去除效率优于均匀混合填充。2）陶粒基质的填充方式对出水pH值影响较小，但在主要污染物的去除方面存在差异，靠近进水口处填充小粒径基质对COD的去除更加有利；而在TN、TP的去除方面，采用进水口处填充大粒径基质的方式效果更好。3）陶粒基质对垂直流人工湿地系统中COD、TN、TP去除效率较无烟煤分别提高了7%、5%、23%[ 7 ]，去除效率高，适宜用作人工湿地基质材料。

参考文献：

[1] 籍国东，倪晋仁.人工湿地废水生态处理系统的作用基质[J].环境污染治理技术和设备，2004，5（6）：71-75.

[2] 廖新俤，骆世明.人工湿地对猪场废水有机物处理效果的研究[J].应用生态学报，2002，13（1）：113-117.

[3] 陈腾殊，白少元等.基质结构对水平潜流人工湿地净化效果影响[J].环境工程学报，2012，10（6）：3449-3454.

[4] 国家环境保护总局.水和废水监测方法[M].第4版.北京：中国环境科学出版社，2002.