人工湿地污水处理系统中填料的研究进展

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(南京工业大学，江苏南京211816)

随着城镇化进程的不断加快，大量的生活污水、工业废水以及农业污水进入地表水体，这不仅会引起河流、湖泊的富营养化，破坏敏感的水生态系统，还会威胁人类健康[1]。因此，控制城镇水体富营养化氮磷超标已成为社会经济发展中亟待解决的问题。作为一种生态的污水处理和水环境修复技术，人工湿地污水处理系统因具有去污效率高、成本低、运营维护方便、抗冲击能力强和美化环境等特点[2]，已成为广大城镇和农村污水处理系统的重要组成部分，并已得到了广泛的应用。人工湿地污水处理系统通过填料的吸附截留、植物的吸收沉淀以及微生物和动物的吸收降解等作用可以有效去除污水中大量的营养物质、悬浮物、重金属、油脂及病原微生物等[3]。国外对人工湿地污水处理系统研究较多，主要从结构设计、模型模拟、填料组成及配比、填料深度、植物选择、污染物去除及微生物驯化等方面进行了研究。中国对人工湿地污水处理系统的研究和应用也已经开展，目前涉及的研究有：结构设计、植物选择、去污效果、填料组成及配比等[1-7]。作为人工湿地污水处理系统的重要组成部分，填料在人工湿地污水处理系统结构中占有最大体积[2]，可为湿地中植物和微生物的附着提供生长载体，同时本身也可以净化污水，尤其是对污水中氮磷的去除[8]。此外，填料的理化性质对水体中污染物的去除以及系统的堵塞具有一定影响，填料的组成直接关系到污水有机负荷大小、进水水流流速和人工湿地占地面积等因素，因此填料可以直接影响到人工湿地污水处理系统的处理效果[7-8]。国外对填料进行了大量的研究，而国内大多借鉴国外的研究经验对填料进行改良。笔者从人工湿地污水处理系统填料的组成及配比、去污效果，以及填料的改良等方面展开论述，以期为中国人工湿地污水处理系统填料的筛选提供依据。

1 人工湿地污水处理系统填料的组成及配比

选择合适的填料对人工湿地污水处理系统起着关键作用。由于每个地区的水质特点、地质条件及土壤类型不同，因此所选填料的组成及配比也有差异。选择填料时，应综合考虑填料的水力渗透系数及对污染物的去除效果等[3]。目前，人工湿地污水处理系统的填料主要分为三大类：天然矿物、工业副产物和人工合成填料，表1为国内外一些研究及应用推荐的填料[9-13]。

表1 人工湿地污水处理系统填料种类

从上述研究可以发现，填料的类型及配比组合多种多样，其配比类型有体积比，也有质量比，具体配比类型应该根据试验条件及试验的难易程度来选择和确定。

2 填料对污染物去除效果的影响因素

表2 填料的组成、配比及净化效果

3 人工湿地污水处理系统填料的渗透性能及堵塞问题

填料的渗透系数是人工湿地污水处理系统渗透性能的影响因素之一，而系统的渗透性会影响人工湿地污水处理系统的水文效应和去污能力。研究表明[22]，填料的粒径大小是影响系统水力传导性能和基质孔隙大小的主要因素，直接关系到污染物在湿地中的停留时间及处理效果。选择孔隙率和比面积较大的填料可以提高系统的水力传导性能，通过增加微生物的附着面积可以提高系统对污水的去除能力[26]。在系统长期持续地运行过程中，系统的渗透性能会明显降低。不同设计构型的分析表明，人工湿地污水处理系统的填料类型会影响渗透系数随时间的变化。随着时间的推移，填料层的孔隙率和水力传导系数均会显著下降，系统会出现堵塞，堵塞的主要成因是由于填料层中会积累过多粒径超过5.00 μm的有机物和无机物组成的不可滤过性物质[29]，且堵塞的部分大多为基质的中上层[30]。填料的粒径和不同填料粒径的配比对系统的渗透性能具有重要作用，合适的粒径和填料级配可以保证系统透水孔隙的有效性。赵文喜等研究表明[30]，砾石填料的常用尺寸为3～6、5～10、6～12 mm，当人工湿地上、下行流中分别设置粒径为0～4 mm(300 mm厚)、4～8 mm(100 mm厚)、4～8 mm(500 mm厚)、8～16 mm(350 mm厚)的碎石填料时，可以有效解决人工湿地污水处理系统基质的堵塞问题，还发现反级配系统有延缓堵塞的作用。此外，除填料粒径、填料粒径配比和填料级配外，填料的种类也是影响人工湿地污水处理系统的除污效果和基质堵塞的重要因素。Lu等[12]研究显示，选择孔隙率和渗透系数都较大的物质作为人工湿地污水处理系统填料时，系统不易发生堵塞现象，如瓷砂陶粒、鸡蛋壳、黏土陶粒、海绵铁和水泥砖等填料，其孔隙率和渗透系数范围分别介于51.00%～80.40%和0.276 0～0.561 3 cm。

4 人工湿地污水处理系统填料的改良

针对人工湿地污水处理系统对氮磷的去除效果不稳定以及系统的渗透性能在运行过程中会有所下降等问题，众多学者对填料进行了改良，并发现了对污染物具有特异性去除能力的填料(表3)[2,12,20,25,31-39]。

表3 特异性去除污染物的填料

Wu等[40]研究表明，经3 mol/L NaOH和2 mol/L AlCl3溶液改性后的沸石湿地系统的脱氮量和除磷量比普通沸石湿地系统分别增大1.8%和1倍多。李琼辉[41]以粉煤灰和给水污泥为主体原料，以牡蛎壳为添加剂制作新型固磷陶粒填料，结果表明，新型填料对磷去除率高达90%。Zeng等[1]采用单一粒级的碎石作为粗骨料，水泥、粉煤灰和化学添加剂为胶结材料制备内置空隙人工生态填料，结果表明，人工生态填料对TN、COD和TP的去除率大幅度增加。Chen等[42]研究表明，以沸石为基底，以牡蛎壳、医用石和陶瓷作为添加剂组成混合填料的系统对抗生素耐药性基因(ARGs)的清除率高达98.5%。杨晶涵等[43]研究显示，砾石和复合填料包(土壤、木屑、木炭和铁屑按质量比为7∶1∶1∶1混合均匀)分层装填的人工湿地污水处理系统脱氮效果明显好于混合单层装填的系统。

目前填料改良主要从3个方面进行：①向填料中添加适量的改性材料，如沸石、陶粒、有机质、生物炭、粉煤灰、火山岩、蛭石、石灰石、改性填料及钢渣等吸附能力强、比表面积大以及通透性好的基质材料[3]；②优化不同填料间的组合及配比，在传统自然土壤的基础上，选择添加吸附能力强、多种渗透性好的基质，如沸石、石英砂、给水厂污泥等，组成混合填料，可以是质量比也可以是体积比；③设计成多层填料，可以是双层，也可以是3层，甚至可以是3层以上，多层设置既可以增加渗透速率，降低发生堵塞的风险，也可以提升系统净化能力。

5 结论与展望

综上所述，选择不同粒径及种类的填料，利用不同填料对污水净化效果的差异，通过协同作用既可以提升系统的整体净化能力又能延长使用寿命。选择人工湿地污水处理系统填料时，应根据当地土壤类型及污水水质而定。若当地的土壤能满足人工湿地污水处理系统填料的要求，则可以直接使用，若不能满足，可以向土壤中添加沸石、粉煤灰、矿渣、蛭石、石灰石、陶粒及生物炭等材料，还可以优化不同填料间的组合及配比以及设计成多层填料。填料在配比时，所用的比例既可以是体积比，也可以是质量比，具体应根据实际情况确定。无论如何配比，都应当使得填料在满足渗透性能的同时，还能够有效去除各种污染物。

目前，对填料的研究主要集中在不同种类填料对不同污染物的净化效果，而对于填料间的组合应用的效果尚缺乏深入的研究，未形成统一的设计规范。由于中国各地区的土壤类型、地质条件不同，污水水质特点也不同，即使使用相同的填料及组合配比的情况下取得的净化效果也不一定相同。因此，应根据当地的实际情况，深入研究人工湿地污水处理系统适宜的填料类型及组合配比，使其能高效发挥对污染物的净化效果，这是该技术在中国推广应用的关键问题。