基于多孔陶粒的微湿地装置设计及性能研究

孙珊珊　李瑶　赵梦园　殷政　孙苏豫

摘  要：文章針对城市生活污水治理问题，设计一种具有污水处理和环境欣赏双重功能的微湿地装置，并研究装置净化污水的效果。实验结果表明，微湿地装置对含重金属铜离子和氨氮的污水具有良好的净化效果，运行七天的去除率分别可以达到82.88%和62.98%。

关键词：微湿地装置;设计;性能

中图分类号：X703 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）17-0045-02

Abstract： In this paper， aiming at the problem of urban domestic sewage treatment， a micro-wetland device with dual functions of sewage treatment and environmental appreciation is designed， and the effect of sewage purification is studied. The experimental results show that the micro-wetland device has a good purification effect on the sewage containing heavy metal copper ions and ammonia nitrogen， and the removal rates can reach 82.88% and 62.98% respectively after seven days of operation.

Keywords： micro-wetland device; design; performance

随着我国城镇化的快速发展，城市生活污水排放量逐年增加，水环境恶化形势严峻，也直接或间接威胁人类本身，严重影响人们健康生活。近年来，针对水污染日益严重的现状，政府逐步加大了对水污染的治理力度，积极推进污水处理设施建设和污水处理技术研究。污水治理技术种类繁多，但是化学药品的使用会产生二次污染，而单一水生植物净化污水的周期较长、效率较低、管理复杂。人工湿地处理技术是一个新兴的污水处理工艺，具有建设投资少、运行能耗低、净化效果好、利于生态恢复等优点，同时，起净化作用的水生植物还可作为观赏美化植物。本文借鉴人工湿地处理技术的工作原理，构建一种兼备污水处理和环境欣赏的微湿地生态系统装置，并进行装置处理污水的应用实验研究。

1 设计依据

人工湿地的概念是德国学者Seidel于1966年构建芦苇湿地处理生活污水时首次提出的，主要由水体、基质、水生植物、微生物等部分组成。其中，水生植物和基质是人工湿地最基本的构成要素，湿地的净化功能一般依靠系统中物理、化学和生物的三重协同作用来完成。

陶粒因具有较大比表面积、丰富孔隙结构及较低重金属浸出毒性等特点，已被国内外广泛应用于污水处理中，可以作为人工湿地的基质。硅藻土作为一种天然矿物，其微孔结构的直径主要分布在100～300nm、边缘孔径为30～80nm、孔隙率达80～90%，能吸收其本身质量1.5～4倍的水，可以作为烧制陶粒的基础材料。

水生植物通过直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降等作用可以分解、吸收水体中氮、磷、有机物和重金属等污染物质。氮、磷被吸收后用以合成植物自身的物质，供其生长代谢，而一些重金属和有机物被储存于植物体内或在植物体内被降解。研究表明，绿萝有着较好的过滤体系和较强净化能力，可以吸收富集污水中无机物、有机物和重金属等污染物质。

污水进入微湿地装置，在微型人工湿地中硅藻土基多孔陶粒、水生植物绿萝和微生物的协同作用下，污染物质被吸附分解，从而得到清水。

2 微湿地装置的设计

2.1 多孔陶粒的制备

用硅藻土为主要原料，并添加一定量的成孔剂、助熔剂、粘合剂，经手工成球、陈化、干燥、焙烧制备出硅藻土基多孔陶粒。（1）原料试剂。a.成孔剂。选择碳酸钠为成孔剂。b.助熔剂。选择碳酸镁、碳酸钙为助熔剂。c.粘合剂。选择粘土、硅酸钠为粘合剂。（2）工艺流程。将硅藻土过100目筛，105℃烘干2h备用。按一定配比加入不同成孔剂和助熔剂，经10min以上研磨混料后，加粘合剂搅拌均匀，手工捏制成3-6mm的球状，用保鲜膜包覆陈化24h后，放入烘箱105℃干燥2h;干燥后的料球，移入马弗炉中进行焙烧;到达焙烧温度和保温时间后，关闭箱式智能电阻炉的电源，自然冷却至室温，即得到多孔陶粒成品。

2.2 整体结构的设计

微湿地装置由微湿地净化反应单元和智能水位监控单元两个部分组成。其中，微湿地净化反应单元包括进水池、过滤池、净化池、处理池和接水池等;智能水位监控单元包括ST89C52型单片机、压力传感器、数模转换器、液晶显示器和水泵等。微湿地净化反应单元净化池中可以放置多孔陶粒，可以吸附污水中重金属、氨氮、磷等物质，并缓慢释放给水生植物和微生物;智能水位监控单元可以实时监测净化池的水位高度，并进行智能进水。具体如图1所示。

3 微湿地装置的性能实验

城市办公场所水体中污染物质种类较少、含量较低，重金属铜离子主要来源于输水管道和阀门，氨氮主要来源于洗涤用品的使用。考虑到微湿地装置的实际应用情况，其性能实验主要考察对城市办公场所中低浓度的含重金属铜离子和含氨氮污水的净化处理效果。

3.1 实验材料

为了避免实际污水其他成分对实验结果的影响，实验采用模拟废水。用CuSO4配制1.0mg/L的铜离子标准溶液;用NH4Cl配制0.1mg/L的氨氮标准溶液。

3.2 实验仪器

UV-1240型紫外分光光度计、SQ-CN208A型氨氮测定仪。

3.3 实验方法

（1）装置对铜离子净化实验。以1.0mg/L的铜离子标准溶液为原水，进入装置，达到合理高度，停留24h后，开启“自动注水”功能，装置外的原水通过水泵进入装置，促使水体通过池体之间的圆形连通孔流动，模拟人工湿地的表面流、垂直潜流过程，进而在装置内的接水池中得到清水。取出清水后用0.45um滤膜过滤，然后用UV-1240型紫外分光光度计测量滤液最大波长处的吸光度（铜离子的λmax=546nm）。根据朗伯比尔定律，最大波长处的吸光度与浓度存在线性关系，再依据公式（1）计算出对应的铜离子去除率η。装置一共运行7天。

η=[（D0-Dt）/D0]        （1）

式中，为铜离子的去除率，D0为原水吸光度，Dt为净化后滤液吸光度。

（2）装置对氨氮净化实验。以0.1mg/L的氨氮标准溶液为原水，进入装置，达到合理高度，停留24h后，开启“自动注水”功能，装置外的原水通过水泵进入装置，促使水体通过池体之间的圆形连通孔流动，模拟人工湿地的表面流、垂直潜流过程，进而在装置内的接水池中得到清水。取出清水后离心，然后用SQ-CN208A型氨氮测定仪测定上清液中的氨氮含量。装置一共运行7天。

3.4 结果与分析

（1）装置对铜离子净化效果。不同时间装置对铜离子的去除率如图2所示。微湿地装置第1天对原水中铜离子的去除率就达到58.02%，运行了一段时间后，原水中的铜离子去除率逐渐增加并趋于平缓，第7天去除率为82.88%。随着装置中多孔陶粒对铜离子吸附量的增加，金属离子之间产生的斥力增强，铜离子进入多孔陶粒微孔的阻力增大，同时，水生植物富集铜离子能力有限，所以去除率逐渐增加后趋于平缓。结果表明，微湿地装置对于铜离子有着良好的净化效果。

（2）装置对氨氮净化效果。不同时间装置对氨氮的去除率如图3所示。微湿地装置第1天对原水中氨氮的去除率仅为0.22%，运行了一段时间后，原水中的氨氮才明显降低，第7天去除率达到62.98%。另外，去除率出现起伏现象，可能由于原水中的有机氮在好氧的条件下水解为氨氮，反而增加了水体中氨氮量。结果表明，微湿地装置对于氨氮有着良好的净化效果。

4 結论

微湿地生态系统是改善人类生存环境的一种新型模式。借鉴其工作原理，设计的微湿地装置对含重金属铜离子和氨氮的污水具有良好的净化效果，运行七天的去除率分别可以达到82.88%和62.98%。城市中众多单位办公场所产生的大量低污染程度污水使用装置进行有效处理后再排放，既可以提高城市生活污水处理效率，又可以利用微湿地中水生植物吸附污染物，从而实现了“净化污水、美化环境、简化管理”的功能。

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