人工濕地中不同填料理化性質(zhì)的研究

侯佳

（天津市南水北調(diào)曹莊管理處，天津　300112）

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人工濕地中不同填料理化性質(zhì)的研究

侯佳

（天津市南水北調(diào)曹莊管理處，天津300112）

摘 要：人工濕地生態(tài)處理作為一種自然生物處理方法，可以改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。填料是人工濕地的重要組成部分，濕地中的填料一方面為微生物生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的依附表面，同時(shí)也為水生植物生長(zhǎng)提供了載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。選擇天津地區(qū)常見(jiàn)、經(jīng)濟(jì)上可行的人工濕地基質(zhì)填料為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定它們的理化性質(zhì)，為后續(xù)潛流人工濕地系統(tǒng)的建立選擇合適的基質(zhì)填料提供理論依據(jù)。通過(guò)研究比較，認(rèn)為將頁(yè)巖與粗礫石組合使用是一個(gè)雙贏的填料選擇方案。

關(guān)鍵詞：人工濕地；填料研究；理化性質(zhì)；填料粒徑；干容重；孔隙率

人工濕地是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)，作為一種自然生物處理方法，能夠改進(jìn)生態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)能量的循環(huán)。它主要是利用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生的原理和結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)的原則，在促進(jìn)廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益。

筆者選擇天津及周邊地區(qū)常見(jiàn)的以及經(jīng)濟(jì)上可行的人工濕地基質(zhì)填料為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定它們的理化性質(zhì)，為后續(xù)潛流人工濕地系統(tǒng)的建立選擇合適的基質(zhì)填料提供可靠的理論依據(jù)。填料是人工濕地的重要組成部分，濕地中的填料一方面為水生植物生長(zhǎng)提供了載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也為微生物的生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定的依附表面。此外，填料本身也可以通過(guò)一些物理或化學(xué)的方法（如吸收、吸附、過(guò)濾、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等）來(lái)去除污水中的N、P等物質(zhì)。在潛流人工濕地體系的構(gòu)建中，填料的選擇有著非常重要的作用和意義。

1試驗(yàn)材料與方法

供試填料有粗礫石、細(xì)礫石、鐵礦石、頁(yè)巖。將上述待測(cè)填料先用自來(lái)水清洗干凈，至pH值不變?yōu)橹梗缓笥萌ルx子水浸泡24 h，最后放到電熱恒溫干燥箱烘干備用。

1.1孔隙率η測(cè)定

將待測(cè)填料裝入1 000 mL量筒壓實(shí)至1 000 mL刻度線(xiàn)，然后向量筒中緩慢加水，直至水面線(xiàn)穩(wěn)定在1 000 mL刻度線(xiàn)為止，將每次加入的水量體積求和計(jì)算加入水量總體積。根據(jù)加水量的總體積V水及填料柱總體積V總，按下式計(jì)算每種填料的孔隙率：

1.2干容重ρ測(cè)定

取一定體積的待測(cè)填料，用電子秤稱(chēng)量其質(zhì)量。根據(jù)所得填料的質(zhì)量M和填料體積V，按下式計(jì)算每種填料的干容重：

1.3水力滲透系數(shù)K測(cè)定

水力滲透系數(shù)K測(cè)定原理為達(dá)西定律，試驗(yàn)裝置為達(dá)西滲透儀，如圖1所示。達(dá)西滲透儀高130 cm，內(nèi)徑10 cm，在10、20、110、120 cm處設(shè)置4根測(cè)壓管，其中中間2根主要用來(lái)測(cè)定填料滲透系數(shù)、其余2根起對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果的作用，測(cè)壓管管徑10 mm。在滲透儀的底部5 cm處設(shè)置1個(gè)帶孔隔板，用于透水及防止填料隨水流沖走流失。測(cè)定滲透系數(shù)前，先用自來(lái)水將填料浸潤(rùn)24 h，使填料充分濕潤(rùn)并排出填料孔隙中的空氣，然后用復(fù)興河河水作為試驗(yàn)用水。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)控制閥使水緩流經(jīng)過(guò)達(dá)西滲透儀中的填料柱，多余的水通過(guò)溢流以保持水位的穩(wěn)定，并記錄水位穩(wěn)定后水流流經(jīng)填料柱的流量和各測(cè)壓管的水壓。開(kāi)始時(shí)先測(cè)定水流方向向下時(shí)的水流流量及各測(cè)壓管的水壓，每次測(cè)定時(shí)1種填料測(cè)定4個(gè)不同流量水平，1個(gè)流量水平重復(fù)進(jìn)行4次。為測(cè)定水流方向?qū)μ盍蠞B透系數(shù)的影響，通過(guò)改變水流方向（即下面進(jìn)水、上面出水）重復(fù)上述試驗(yàn)。

圖1 達(dá)西滲透儀

根據(jù)水頭損失及其對(duì)應(yīng)流量測(cè)定結(jié)果，按下述公式計(jì)算每組測(cè)驗(yàn)的水力滲透系數(shù)：

式中：K為水力滲透系數(shù)（cm/s）；ΔL為兩測(cè)壓管間的距離（cm）；ΔH為水流經(jīng)兩測(cè)壓管間的水頭損失（cm）；H1，H2分別為兩測(cè)壓管的水壓（Pa）；Q為水流通過(guò)填料柱的流量（mL/s）；A為填料柱截面積（cm2）。

之后，將同種填料的水力滲透系數(shù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行平均，作為該填料的水力滲透系數(shù)。

1.4粒徑級(jí)配測(cè)定

取烘干后的填料若干，用不同孔徑土壤篩對(duì)上述待測(cè)填料進(jìn)行篩分，記錄各粒徑填料的質(zhì)量，計(jì)算不同粒徑填料質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。

2　結(jié)果與分析

2.1填料粒徑級(jí)配分析

按上述粒徑級(jí)配測(cè)定方法，測(cè)得鐵礦石、粗礫石、細(xì)礫石和頁(yè)巖填料的粒徑分布，如圖2—5所示。

圖2 鐵礦石級(jí)配曲線(xiàn)

圖3 粗礫石級(jí)配曲線(xiàn)

圖4 頁(yè)巖級(jí)配曲線(xiàn)

圖5 細(xì)礫石級(jí)配曲線(xiàn)

從圖2—5可以看出，不同的填料粒徑分布是不同的，其級(jí)配曲線(xiàn)形狀也不同。頁(yè)巖粒徑分布較均勻；粗礫石與細(xì)礫石粒徑分布單一，大約70%左右的顆粒分別分布在10～20、7～10 mm。

2.2填料干容重及孔隙率分析

根據(jù)干容重和孔隙率的測(cè)定方法，測(cè)定4種待測(cè)填料的干容重和孔隙率，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　各種填料干容重和孔隙率

根據(jù)表1可知，待測(cè)填料中粗礫石的孔隙率最大，其次是頁(yè)巖、細(xì)礫石和鐵礦石；鐵礦石的干容重最大，頁(yè)巖最小。綜合考慮干容重和孔隙率，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖是一種輕質(zhì)多孔、持水性較好的填料，適合對(duì)污染物吸附去除，而鐵礦石可能最不宜作為吸附填料。

2.3填料水力滲透系數(shù)分析

本試驗(yàn)在室內(nèi)室溫20℃條件下進(jìn)行，試驗(yàn)材料分別選取粗礫石、細(xì)礫石、鐵礦石、頁(yè)巖4種單一填料以及粗礫石與鐵礦石混合、鐵礦石與細(xì)礫石混合、頁(yè)巖與粗礫石混合3種混合填料共7種試驗(yàn)填料進(jìn)行測(cè)定。填料裝好后先用自來(lái)水浸泡過(guò)夜，然后以復(fù)興河水（COD91.21mg/L、TN6.07mg/L、TP1.20mg/L）作為試驗(yàn)用水。為了解水流方向?qū)λB透系數(shù)的影響，試驗(yàn)過(guò)程中分別測(cè)定了向上流和向下流2種水流方向上的水力滲透系數(shù)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　不同填料水力滲透系數(shù)測(cè)定結(jié)果cm/s

從表2可以看出，7種填料中粗礫石水力滲透系數(shù)最大，混合填料中細(xì)礫石與鐵礦石混合填料水力滲透系數(shù)最小。單一填料水力滲透系數(shù)從大到小的排序?yàn)椋捍值[石＞鐵礦石＞細(xì)礫石＞頁(yè)巖。單一填料粗礫石水力滲透系數(shù)較大的原因主要是其平均粒徑相對(duì)較大，并且粒徑分布較為單一，主要集中在10～25 mm；而鐵礦石和頁(yè)巖填料盡管平均粒徑也相對(duì)較大，與粗礫石基本相同，但二者由于粒徑粗細(xì)不均勻，致使其水力滲透系數(shù)值減少，尤其是頁(yè)巖，由于各種粒徑的顆粒參雜、所占比例比較均勻，其水力滲透系數(shù)值最小。細(xì)礫石雖然粒徑分布較為單一，但由于其平均粒徑較小，其水力滲透系數(shù)也相對(duì)較小。

此外，混合填料的水力滲透系數(shù)都在各單一填料的水力滲透系數(shù)之間。水流方向不同，水力滲透系數(shù)也不同，水流向上的K值相比水流向下的K值要大。因此，在計(jì)算統(tǒng)計(jì)復(fù)合垂直流人工濕地水頭損失時(shí)，上行流和下行流應(yīng)該分別進(jìn)行計(jì)算，這樣得出的結(jié)果才較為科學(xué)合理。

3　小結(jié)

通過(guò)對(duì)不同填料的理化性質(zhì)試驗(yàn)，對(duì)比了頁(yè)巖、粗礫石、鐵礦石、細(xì)礫石以及它們組合的理化性質(zhì)，得出結(jié)論：?jiǎn)我惶盍现械募?xì)礫石物理性質(zhì)優(yōu)越，但去污能力有限，不滿(mǎn)足人工濕地長(zhǎng)期運(yùn)行凈化污水的要求；頁(yè)巖是較為理想的人工濕地去污填料；粗礫石、鐵礦石雖然污染物的去除率不算太高，但二者的顆粒較粗、透水性較好、強(qiáng)度也較高，可以考慮作為人工濕地的基質(zhì)來(lái)進(jìn)行使用。而在組合填料中，鐵礦石與粗礫石的組合去污性能較差，而頁(yè)巖與粗礫石的組合具備較強(qiáng)的TN、TP去除能力。此外，單一填料頁(yè)巖強(qiáng)度低、透水性較差，作為單一填料長(zhǎng)期使用可能會(huì)導(dǎo)致堵塞，進(jìn)而造成污水短路或出現(xiàn)死水區(qū)現(xiàn)象。因此，將頁(yè)巖與粗礫石組合使用應(yīng)是一個(gè)雙贏的填料選擇方案。

人工濕地生物生態(tài)集成技術(shù)具有運(yùn)行成本低、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)村鎮(zhèn)生活污水的處理和資源的再生利用，有利于全面落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)生態(tài)小城鎮(zhèn)和文明村，同時(shí)可以大力提升我國(guó)廣大農(nóng)村的環(huán)境質(zhì)量，因此具有較大的應(yīng)用價(jià)值和推廣的前景。

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中圖分類(lèi)號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7328（2016）03-0057-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.018

收稿日期：2016—01—29

作者簡(jiǎn)介：侯佳（1983—），女，工程師，主要從事南水北調(diào)輸水運(yùn)行管理工作。