不同填料对阶梯式人工湿地降解农业废水的影响

裴 亮， 孙莉英， 梁 晶， 麦荣幸

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室， 北京 100101; 2.新华水力发电有限公司, 北京 100070)

1 研究背景

近20年来，人工湿地广泛应用于国内新兴污水处理技术领域，新型的湿地技术也大量涌现，该技术适用于处理水量不大、水质变化较小、管理水平不高的污废水降解[1-4]。人工湿地技术属于生态处理方式，可对工农业生产过程中所产生的污废水进行有效的降解，尤其针对农业废水的降解效果更为显著，是农业面源污染控制中途截留的主要方法之一[5-9]。

人工湿地用于农业废水降解中的关键要素是植物和填料的选择[10]，其中，填料可通过沉淀、过滤、吸附作用截留污水中的污染物质，也是人工湿地其他有效元素(植物和微生物)生存的介质。因此，填料的选择对人工湿地发挥水质净化效果起到了关键性的作用。目前已有报道的人工湿地填料主要有沸石、草木灰、砾石粒、石灰渣、煤粉灰、矿石粒、黏土矿渣和个别工业副产品颗粒等[11-15]。

本试验针对人工湿地填料对农业废水污染物降解效果不稳定的问题，采用阶梯式人工湿地方法对农业废水进行降解。在其他参数及条件相同情况下，选择了4种不同填料来构建阶梯式人工湿地体系，对农业废水进行降解研究，考查其对污染物的降解效果。

2 试验部分

2.1 试验装置与方法

试验采用阶梯式人工湿地，该人工湿地类型属于垂直复合上行流潜流湿地，湿地构造见图1。湿地的基本参数及运行情况见课题组以前的研究成果，即参考文献[8]。梯形水泥池高度160 cm、上边缘长3 m、底部边缘长1.7 m，填料层厚度共80 cm，填料层上面有40 cm的土壤覆盖层。进水蓄水池隔板高度140 cm、进水污水一级沉淀池的隔板长为120 cm，进水污水一级沉淀池隔挡板下方立于大砾石层上，且大砾石层的一部分与进水通道贯通，出水沉淀池隔挡板高度为100 cm、出水蓄水池隔挡板高度为80 cm[3，5]。

装置工作的原理：农村废水通过进水管进入混凝土池后先进入污水一级沉淀池沉淀，后从进水蓄水池隔挡板溢出通过进水通道渗透进入填料层，即从进水污水一级沉淀池隔挡板下面渗入填料[3]，自下而上依次经过基质填料层、土壤层过滤处理后，溢出出水沉积池挡板后流入出水沉积池，蓄满后再溢入出水蓄水池。湿地土壤层上种水生植物。在床体中间沿程竖向设置了小孔样本管，以收集水样和测定湿地内的温度、溶解氧、pH值等数据。装置经过2012年4月-2012年8月的运行，运行情况良好[3,8-9]。

试验中，保持其他影响因素恒定，设定水力停留时间(HRT)7d为1个周期，连续7次检测进水和出水的COD、浊度、NH3—N、TN、TP，随后计算出降解率。

2.2 测试项目与方法

该试验用水采用农村废水，其分析方法和水质情况见表1。

表1 分析方法和水质情况[8]

图1 阶梯式人工湿地结构

3 结果与分析

3.1 不同填料对农业废水COD的影响

图2为COD降解率随水力停留时间HRT的变化情况。

图2 COD降解率随水力停留时间的变化

研究表明[8]，不同填料对COD的降解有一定的作用，因为填料本身能吸收部分无机污染物质，而且填料具有较大的比表面积，可为微生物的繁殖和发生作用提供有利的生存条件，使得微生物对农业废水中污染物能进行有效地吸附和吸收降解[9]。

由图2可以看出，4种填料中麦饭石和钢渣降解COD的效果都较好，且麦饭石系统降解效果好于钢渣系统，随着HRT的增加，降解率逐渐增长，到一定阶段会渐趋平缓; 石灰石系统的降解率较低，随HRT增加，COD降解率变化不大，当HRT在4d以后，降解率基本保持不变，当HRT为5d时，4种填料降解COD效果达到稳定。取HRT=7d时，钢渣、石灰石、麦饭石和竹炭粒系统对COD的降解率分别为79.7%、73.0%、81.3%和67.6%，最终出水平均COD浓度为: 51.2、61.3、53.2和93.4mg/L。4种填料中，麦饭石和钢渣比表面积大，麦饭石比较松软，对污染物的拦截、吸附及吸收效果较好，微生物的生长环境更优越[13,16]，因此在对COD的降解效果方面麦饭石和钢渣较石灰石和竹炭粒要好。

3.2 不同填料对农业废水浊度的影响

对不同填料情况下，浊度降解率随水力停留时间的变化情况进行了研究，具体见图3。

图3 浊度解降率随水力停留时间的变化

从图3可以看出，钢渣、麦饭石和竹炭填料对浊度的降解率曲线趋势很接近。随HRT增加，浊度降解率也增加。当HRT在4d时，钢渣、石灰石、麦饭石和竹炭粒系统对浊度的降解率分别为80.3%、66.7%、80.6%和77.6%，HRT继续增加，浊度降解率增高就不明显了。填料对浊度的降解作用主要是靠填料的比表面积吸附和固着大量的微生物，从而形成大片的生物膜起到过滤作用，因此粒径小、形状不规则的填料对浊度的降解率会更高[12,15]。钢渣、麦饭石和竹炭粒3种填料粒径都小、形状不规则，而且麦饭石和竹炭粒材质偏软，更易于吸附污染物，故对浊度的降解效果更好。当HRT到5d时，4种填料的出水浊度平均值达到16.4、26.3、11.5和13.3NTU。

采用4种填料的阶梯式人工湿地处理农业废水，出水浊度指标达到了城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)[11]的一级A标准要求。

3.3 不同填料对农业废水TP的影响

人工湿地对TP[13]的降解主要靠人工湿地的填料层填料、水生植物和微生物以及三者之间的联合作用，人工湿地中填料层对TP去除作用最大，水生植物与微生物的结合及耦合作用降解TP的作用仅次于填料层填料的作用。在4种填料系统中，微生物对含磷化合物的转化在TP的净化过程中是一个限制性因子，湿地中填料稳定性也强化了微生物对TP的吸附和吸收积累[13]。钢渣填料对磷的降解能力要比其他填料强，随着水力停留时间的延长，钢渣系统对磷的降解率保持在一个较高的水平，石灰石、麦饭石和竹炭粒系统降解效果较差。对不同填料条件下，TP降解率随水力停留时间的变化情况进行了研究，具体见图4。

图4 TP降解率随水力停留时间的变化

从图4可以看出，当HRT到5d的时候，石灰石系统对TP的降解率开始趋于平稳，这可能是因为石灰石比表面积小，填料吸附达到饱和，TP的降解单靠吸附降解。当HRT超过6d时，钢渣和竹炭粒填料对TP的降解效果也有所下降，同时麦饭石系统的降解能力也逐渐平稳趋于饱和，表明HRT在6d左右时对污水中TP的降解来说是较合理的水力停留时间。因此HRT取6d，此时，钢渣、石灰石、麦饭石和竹炭粒系统对TP的降解率可分别达到83.5%、55.2%、78.6%和69.2%。最终出水TP平均指标为: 0.21、0.59、0.38和0.40mg/L。

3.4 不同填料对农业废水TN的影响

TN是农业废水中最重要且最难降解的污染物，对TN的降解，是通过填料及土壤中微生物的硝化和反硝化作用进行。图5为TN降解率随水力停留时间变化的情况。

从图5可看出，水力停留时间增加过程中，4种填料对TN的降解率一直保持增长，当HRT大于5d时，4种填料对TN的降解达到稳定。除了填料和植物吸收外，TN的降解还受其他因素的影响，如氨的挥发、填料的吸附与过滤、硝化与反硝化反应等，其中TN降解主要是靠微生物的硝化反硝化作用[13]，根系越发达的水生植物和稳定性越强、比表面越大的填料，越能为硝化细菌提供一个良好的环境，即一个好的好氧微环境，更利于TN硝化充分，因此钢渣和麦饭石的降解效果要好于石灰石和竹炭粒[14]。当HRT到7d时，钢渣、石灰石、麦饭石和竹炭粒系统对TN的降解率分别可达74.4%、50.1%、79.2%和69.2%。最终出水TN平均指标为: 6.92、13.71、8.87和11.40mg/L。

图5 TN解降率随水力停留时间的变化

3.5 不同填料对农业废水NH3—N的影响

研究发现[3]，湿地整体系统的污废水降解效果与湿地的填料之间存在显著关系。湿地系统中微生物量越多，污废水中污染物降解效率越高；硝化细菌和反硝化细菌的数量影响NH3—N的降解率，硝化和反硝化作用是湿地系统主要除TP和TN的方式，而填料与水生植物共同提供的微生物温床决定了微生物的生长状况。但是，NH3—N的降解率还会受到其他因素的影响，使得人工湿地填料系统对NH3—N的降解率不稳定[14]。

图6 NH3—N降解率随水力停留时间的变化

从图6可以看出，随HRT延长，4种填料的NH3—N降解率都在增加。HRT在1～3d内，降解率不高，HRT到4d时，降解率有了较大幅度的增加，HRT大于4d后，钢渣和麦饭石的氨氮降解率都在80%左右，竹炭粒系统的降解率也达到75%左右，所以这3种填料系统对NH3—N的降解效果都比较好。当系统HRT大于4d时，4种填料系统对NH3—N的降解率达到稳定。当HRT到6d时，最终出水NH3—N浓度平均指标为: 2.9、6.3、3.6和4.7mg/L。

4 结 论

阶梯式人工湿地方法对农业废水进行降解研究结果表明：在其他参数及条件相同情况下，选择4种不同填料来构建阶梯式人工湿地体系，对农业废水进行降解，4种填料在农业废水处理中均具有较好的效果，4种填料湿地系统都能有效地降解农业废水中的COD、浊度、TP、TN和NH3—N。当污水停留时间(HRT)为7d时，对污水中COD、浊度、TN、TP和NH3—N的降解率，钢渣分别为79.7%、88.7%、83.5%、74.4%和81.2%，石灰石分别为73.6%、70.7%、55.2%、50.1%和56.9%，麦饭石分别为81.3%、89.7%、78.6%、79.2%和81.5%，竹炭粒分别为67.6%、88.5%、68.3%、69.2%和73.2%，出水水质基本达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)的一级A标准要求。麦饭石湿地系统的降解效果最佳，石灰石湿地系统降解效果略差，但可以推测，石灰石系统的出水再经过一级湿地处理也可达标。说明4种填料应用于处理农业废水是可行的。

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