污染负荷对生物炭人工湿地净化效果的影响

高海威， 李 双， 徐立荣， 徐祥熙， 王荣震， 徐 晶

(1. 济南大学水利与环境学院， 山东济南 250022； 2. 济南市水利工程服务中心锦绣川水库服务处， 山东济南 250112)

为了解决日益严重的农村生活污水污染问题， 我国自20世纪80年代就开始针对农村生活污水的处理开发和研制了许多技术， 包含厌氧沼气池处理技术、 稳定塘处理技术、 人工湿地处理技术等[1]。 在这些方法中， 人工湿地是一种耗资少、 易管理、 处理水质效率高、 生态环境友好型的水质处理系统[2]； 但是， 传统人工湿地的抗污染负荷能力较差， 污染物去除效率较低， 因此需要研究一类性能更优的人工湿地[3]。

生物炭是由生物质在缺氧或无氧的密闭环境中经一定温度热解得到的富含碳的难溶性固体物质[4]，具有孔隙分布合理、比表面积大、吸附能力强的特点[5]，并且理化性质稳定，制备方便，对各类污染物均具有很强的吸附性，在土壤治理、气候调节和废水处理方面得到广泛应用[6]。大量研究表明，生物炭人工湿地对污水的净化有着明显的效果[7-9]，其中潜流湿地的污水处理效果受气候、季节的影响较小，如果在运行过程中管理得当，还可以有效防止蚊蝇滋生和臭味产生，是目前国内外较常采用的一种人工湿地类型[10-12]。目前研究表明，生物炭对人工湿地中无机物的去除具有明显的效果，如脱氮主要途径是硝化-反硝化[13]，生物炭可以增强人工湿地的脱氮性能[14-15]。另有研究[16-18]表明，生物炭可以提高无机磷的吸附能力。目前，针对生物炭人工湿地特别是中试尺度生物炭人工湿地的实验研究尚不多见，本文中基于潜流人工湿地中试实验，探讨不同污染负荷条件下生物炭潜流人工湿地对污染物的净化效果。

1 材料与方法

1.1 生物炭潜流人工湿地实验场的构建

6组中试人工湿地均由砖、混凝土垒砌而成，外径长宽比为3∶1，其中长度为5.1 m，宽度为1.7 m，高度为0.8 m，墙体厚度为0.15 m，在池子底部及四周均进行防水处理。人工湿地的基质为陶粒、沸石、瓜子石、生物炭。除生物炭外，基质按照各组分的粒径大小进行排列，从上向下依次为粒径小于0.4 cm的瓜子石、0.4～0.8 cm的陶粒、0.8～1.6 cm的沸石、3 cm的陶粒。为了研究不同生物炭类型、生物炭不同投放位置以及生物炭不同投放量对人工湿地处理农村生活污水的净化效果，分别采用椰壳生物炭和果壳生物炭，生物炭投放位置如表1所示。

生物炭投放量均按生物炭与每层其他基质的体积比为1∶1投放至各层，其中C、 C1组生物炭的投放量是其他4组的2倍，每层基质厚度均为15 cm。植物选择统一种植黄菖蒲，种植密度为每平方米25 株。基质具体铺设构造如图1所示。

表1 人工湿地基质生物炭类型及其添加位置

1.2 实验方案

综合考虑水力条件对人工湿地污染物去除的影响，本研究设定水力停留时间为36～48 h，水力负荷为10 cm/d的水力条件[19]。通过改变进水中各种污染物浓度，根据《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005—2010)要求(见表2)，结合农村生活污水中碳与氮的质量比(简称碳氮比)较低的现状，设置碳氮比约为3∶1，以模拟农村生活污水，设置高、中、低3个不同污染物浓度等级来确定湿地可承受的污染负荷，具体参数见表3。实验进水采用人工配水的方式模拟生活污水中的总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的浓度，通过控制进、出水口流量使之达到设定的水力条件，稳定运行一个实验周期(36 h)后，在各湿地出水口取100 mL出水水样，并立刻放入4 ℃保温箱，以备检测各污染物浓度。每种污染负荷实验重复3次，取平均值。为了减小实验误差，每次取样后都将人工湿地内的水排空，以减少原有水的影响。

1.3 数据分析方法

利用Excel软件分析人工湿地中各类污染物去除率随污染负荷的变化情况；利用Origin软件绘制各污染物进、 出水水质与去除效率的柱状图。

2 结果与分析

2.1 不同污染负荷下生物炭人工湿地进出水水质

各组人工湿地的进、出水中TN、 NH3-N、 TP、 COD的浓度如图2所示。在水力停留时间为36～48 h、 水力负荷为10 cm/d的条件下进水，以《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》(DB 37/3693—2019)中的指标(见表4)为限值，对进、出水水质进行分析。

(a)生物炭添加在小粒径陶粒层

(b)生物炭添加在沸石层

(c)生物炭添加在小粒径陶粒层及沸石层图1 生物炭人工湿地基质构造示意图

表2 人工湿地进水水质要求

表3 人工湿地进水污染物浓度

(a)总磷(TP)(b)总氮(TN)(c)氨氮(NH3-N)(d)化学需氧量(COD)图2 不同湿地进、出水中的污染物浓度

表4 农村生活污水排放标准

从图2中可以看出：当生物炭人工湿地进水污染负荷为低等级时，各组湿地出水水质都达到一级标准，TN、 NH3-N、 TP、 COD这4类污染物去除效果良好。当进水污染负荷增加到中等级时，各组湿地中的出水污染物浓度也随之增加，各组湿地的出水水质中除NH3-N外均达到一级标准。对各组情况进行对比可知，在C1湿地中，出水水质仍然可以达到一级标准，其余5组湿地的出水中NH3-N质量浓度为8～15 mg/L，达到二级标准。当人工湿地进水污染负荷增加到高等级时，所有实验组中TN的质量浓度均大于20 mg/L，NH3-N的质量浓度均大于15 mg/L，未达到排放要求； B、 C、 C1湿地的出水中TP浓度可以达到排放一级标准，A、 A1、 B1湿地出水的TP质量浓度均大于1.5 mg/L，未达到排放一级标准；A1、 B1湿地的出水中COD质量浓度已经超过60 mg/L，不满足农村生活污水排放的一级标准，其他4组排放达标。综上所述，生物炭人工湿地对低等级污染负荷到中等级污染负荷的水质变化有较好的应对能力。

2.2 不同污染负荷下生物炭人工湿地去除效率

2.2.1 对COD的去除效率

各组人工湿地在不同污染负荷下对COD的去除率如图3所示。由图可知，随着污染负荷的增加，污染物的去除率逐步降低。在污染负荷为低等级的情况下，各组人工湿地的COD去除率接近甚至超过90%，较低的为A、 A1组，分别为89.2%、 88.6%，最高的为C1组，达到94.1%；当污染负荷达到中等级时，各组湿地的COD去除率明显降低，降到了90%以下，最高的为C1组，达到88.3%，而A组的降低为79.1%，其他组的均在80%以上；当污染负荷增大到高等级时，各组湿地COD去除率持续降低，最高的为C组，达到81.6%，最低的为B1组，为67.7%，比低等级污染负荷时的降低了24.6%。通过对比发现，随着污染负荷增加，各组人工湿地对COD去除率的差距也在变大，表明湿地基质构造影响COD的去除，且对于污染物的抗负荷能力也不同。本文中对COD污染有较好抗负荷能力的为C组，从低等级污染负荷到高等级污染负荷，去除率仅降低11.8%，说明生物炭的用量对人工湿地对COD抗负荷能力有一定的影响，增加生物炭用量可以适当提高人工湿地对COD的净化效果。

图3 不同污染负荷下生物炭 人工湿地对化学需氧量(COD)的去除率

2.2.2 对TN的去除效率

各组人工湿地在不同污染负荷下对TN的去除率如图4所示。由图可知，随着污染负荷的增加，TN的去除率逐步降低。在低等级污染负荷时各组的TN去除率均超过80%，B、 B1组的去除率较低， 分别为83.5%、 84.7%， C、 C1组的分别达到92.1%、 92.5%；当污染负荷增大达到中等级时，C、 C1组的TN去除率分别为82.7%、 80.7%，其余各

图4 不同污染负荷下生物炭 人工湿地对总氮(TN)的去除率

组的为70%～80%；当污染负荷增大到高等级时，仅C1组的达到70%以上，为76.3%，最低的为B1组，为64.2%。通过对比发现，C、 C1组湿地对TN的去除效果明显优于其他4组的，表明生物炭的应用有利于人工湿地对TN的去除。当污染负荷增加时，生物炭的类型和添加位置不同的各组人工湿地对TN去除率的差距逐渐减小。

2.2.3 对NH3-N的去除效率

各组人工湿地在不同污染负荷下对NH3-N的去除率如图5所示。由图可知，随着污染负荷的增加，其污染物的去除率在逐步下降。NH3-N去除表现与TN去除表现相似，在低等级污染负荷时各组人工湿地的去除率均超过85%，A1、 C、 C1组的去除率分别达到91.4%、 95.5%、 94.2%；当污染负荷增大达到中等级时，C、 C1组的NH3-N去除率均超过80%，分别达到87.7%、 83.2%，B组的最低，为73.5%，A1组的下降幅度最大，超过15%；当污染负荷增大到高等级时，C、 C1组的NH3-N去除率分别为74.1%、79.1%，B1组的最低，为65.4%。通过对比发现，与TN去除效果相似，即无论污染负荷是否改变，C、 C1组对NH3-N去除效果明显优于其他4组的，表明生物炭添加量的增加有利于NH3-N的去除， 同时进水污染负荷越高，去除效果越差。

图5 不同污染负荷下生物炭 人工湿地对氨氮(NH3-N)的去除率

2.2.4 对TP的去除效率

各组人工湿地在不同污染负荷下对TP的去除率如图6所示。由图可知，随着污染负荷的增加，各组人工湿地对TP的去除率逐渐降低。在低等级污染负荷时各组的TP去除率超过80%，A1组的最低，为85.6%，C1组的最高，达到94.1%；当污染负荷增大达到中等级时，各组的TP去除率降幅在10%左右，C1组的去除率依然最高，为86.4%，A组的最低为79.2%；当污染负荷增大到高等级时，各组的TP去除率持续降低，但是下降并不明显，仅B1组的下降到75%以下，为73.5%。上述结果表明，各组生物炭人工湿地对TP的污染有较好的抗负荷能力，在高负荷的情况下仍可以保持较高的去除率。无论污染负荷是否改变，C、 C1组对TP的去除效果明显优于其他4组的，表明生物炭添加量的增加有利于TP的去除，且在中低污染负荷情况下，沸石层添加的生物炭对TP的去除效果更好。

图6 不同污染负荷下生物炭人工湿地对总磷(TP)的去除率

3 结论

在水力停留时间为36～48 h、 水力负荷为10 cm/d的水力条件下， 设计并实施了3组不同污染负荷条件下的中试实验，分析了污染负荷变化对生物炭人工湿地净化效果的影响，主要结论如下：

1)生物炭人工湿地对于农村生活污水中TN、 NH3-N、 TP、 COD的去除率随着进水污染负荷的增大而降低。进水污染负荷较低时，各组人工湿地对污染物均具有很好的去除效果，去除率都在80%以上，大部分达到了90%。当进水污染负荷处于高等级，各组对污染物的去除率总体维持在70%以上，少部分低于70%但保持在60%以上，对污染物具有良好的去除效果。

2)对于TN、 NH3-N这2类污染物来说，生物炭添加量的增加有利于污染物的去除，且随着污染负荷的增加，生物炭添加位置对TN、 NH3-N净化效果的影响不大；对于COD，各组湿地对COD的去除效果差别随着污染负荷增加而增大，表明生物炭有助于加强人工湿地对COD的抗负荷能力；对于TP，污染负荷增加时，生物炭添加量和添加位置对TP的去除效果的影响减弱，去除率普遍较高，且对TP具有较好的抗负荷能力。

3)在低污染负荷和中污染负荷的情况下，各组生物炭人工湿地对于4类污染物均具有较高的去除率，出水水质可以达到《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》(DB 37/3693—2019)中的一级标准，因此为保证污染物的去除效果，建议生物炭人工湿地的进水污染负荷不宜过高，特别是对于TN、 NH3-N污染物，其进水质量浓度分别不宜超过85、 82 mg/L。