人工濕地中不同填料理化性質的研究

侯佳

（天津市南水北調曹莊管理處，天津　300112）

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人工濕地中不同填料理化性質的研究

侯佳

（天津市南水北調曹莊管理處，天津300112）

摘 要：人工濕地生態處理作為一種自然生物處理方法，可以改進生態結構，促進物質能量的循環。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提供穩定的依附表面，同時也為水生植物生長提供了載體和營養物質。選擇天津地區常見、經濟上可行的人工濕地基質填料為研究對象，通過室內試驗測定它們的理化性質，為后續潛流人工濕地系統的建立選擇合適的基質填料提供理論依據。通過研究比較，認為將頁巖與粗礫石組合使用是一個雙贏的填料選擇方案。

關鍵詞：人工濕地；填料研究；理化性質；填料粒徑；干容重；孔隙率

人工濕地是一個綜合的生態系統，作為一種自然生物處理方法，能夠改進生態結構，促進物質能量的循環。它主要是利用生態系統中物種共生、物質循環再生的原理和結構與功能協調的原則，在促進廢水中污染物質良性循環的前提下，充分發揮資源的生產潛力，防止環境的再污染，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常見的以及經濟上可行的人工濕地基質填料為研究對象，通過室內試驗測定它們的理化性質，為后續潛流人工濕地系統的建立選擇合適的基質填料提供可靠的理論依據。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提供了載體和營養物質，同時也為微生物的生長提供了穩定的依附表面。此外，填料本身也可以通過一些物理或化學的方法（如吸收、吸附、過濾、離子交換、絡合反應等）來去除污水中的N、P等物質。在潛流人工濕地體系的構建中，填料的選擇有著非常重要的作用和意義。

1試驗材料與方法

供試填料有粗礫石、細礫石、鐵礦石、頁巖。將上述待測填料先用自來水清洗干凈，至pH值不變為止，然后用去離子水浸泡24 h，最后放到電熱恒溫干燥箱烘干備用。

1.1孔隙率η測定

將待測填料裝入1 000 mL量筒壓實至1 000 mL刻度線，然后向量筒中緩慢加水，直至水面線穩定在1 000 mL刻度線為止，將每次加入的水量體積求和計算加入水量總體積。根據加水量的總體積V水及填料柱總體積V總，按下式計算每種填料的孔隙率：

1.2干容重ρ測定

取一定體積的待測填料，用電子秤稱量其質量。根據所得填料的質量M和填料體積V，按下式計算每種填料的干容重：

1.3水力滲透系數K測定

水力滲透系數K測定原理為達西定律，試驗裝置為達西滲透儀，如圖1所示。達西滲透儀高130 cm，內徑10 cm，在10、20、110、120 cm處設置4根測壓管，其中中間2根主要用來測定填料滲透系數、其余2根起對比檢驗結果的作用，測壓管管徑10 mm。在滲透儀的底部5 cm處設置1個帶孔隔板，用于透水及防止填料隨水流沖走流失。測定滲透系數前，先用自來水將填料浸潤24 h，使填料充分濕潤并排出填料孔隙中的空氣，然后用復興河河水作為試驗用水。試驗過程中通過控制閥使水緩流經過達西滲透儀中的填料柱，多余的水通過溢流以保持水位的穩定，并記錄水位穩定后水流流經填料柱的流量和各測壓管的水壓。開始時先測定水流方向向下時的水流流量及各測壓管的水壓，每次測定時1種填料測定4個不同流量水平，1個流量水平重復進行4次。為測定水流方向對填料滲透系數的影響，通過改變水流方向（即下面進水、上面出水）重復上述試驗。

圖1 達西滲透儀

根據水頭損失及其對應流量測定結果，按下述公式計算每組測驗的水力滲透系數：

式中：K為水力滲透系數（cm/s）；ΔL為兩測壓管間的距離（cm）；ΔH為水流經兩測壓管間的水頭損失（cm）；H1，H2分別為兩測壓管的水壓（Pa）；Q為水流通過填料柱的流量（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測定結果進行平均，作為該填料的水力滲透系數。

1.4粒徑級配測定

取烘干后的填料若干，用不同孔徑土壤篩對上述待測填料進行篩分，記錄各粒徑填料的質量，計算不同粒徑填料質量占總質量的百分比。

2　結果與分析

2.1填料粒徑級配分析

按上述粒徑級配測定方法，測得鐵礦石、粗礫石、細礫石和頁巖填料的粒徑分布，如圖2—5所示。

圖2 鐵礦石級配曲線

圖3 粗礫石級配曲線

圖4 頁巖級配曲線

圖5 細礫石級配曲線

從圖2—5可以看出，不同的填料粒徑分布是不同的，其級配曲線形狀也不同。頁巖粒徑分布較均勻；粗礫石與細礫石粒徑分布單一，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

根據干容重和孔隙率的測定方法，測定4種待測填料的干容重和孔隙率，結果見表1。

表1　各種填料干容重和孔隙率

根據表1可知，待測填料中粗礫石的孔隙率最大，其次是頁巖、細礫石和鐵礦石；鐵礦石的干容重最大，頁巖最小。綜合考慮干容重和孔隙率，發現頁巖是一種輕質多孔、持水性較好的填料，適合對污染物吸附去除，而鐵礦石可能最不宜作為吸附填料。

2.3填料水力滲透系數分析

本試驗在室內室溫20℃條件下進行，試驗材料分別選取粗礫石、細礫石、鐵礦石、頁巖4種單一填料以及粗礫石與鐵礦石混合、鐵礦石與細礫石混合、頁巖與粗礫石混合3種混合填料共7種試驗填料進行測定。填料裝好后先用自來水浸泡過夜，然后以復興河水（COD91.21mg/L、TN6.07mg/L、TP1.20mg/L）作為試驗用水。為了解水流方向對水力滲透系數的影響，試驗過程中分別測定了向上流和向下流2種水流方向上的水力滲透系數，測定結果見表2。

表2　不同填料水力滲透系數測定結果cm/s

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

此外，混合填料的水力滲透系數都在各單一填料的水力滲透系數之間。水流方向不同，水力滲透系數也不同，水流向上的K值相比水流向下的K值要大。因此，在計算統計復合垂直流人工濕地水頭損失時，上行流和下行流應該分別進行計算，這樣得出的結果才較為科學合理。

3　小結

通過對不同填料的理化性質試驗，對比了頁巖、粗礫石、鐵礦石、細礫石以及它們組合的理化性質，得出結論：單一填料中的細礫石物理性質優越，但去污能力有限，不滿足人工濕地長期運行凈化污水的要求；頁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、強度也較高，可以考慮作為人工濕地的基質來進行使用。而在組合填料中，鐵礦石與粗礫石的組合去污性能較差，而頁巖與粗礫石的組合具備較強的TN、TP去除能力。此外，單一填料頁巖強度低、透水性較差，作為單一填料長期使用可能會導致堵塞，進而造成污水短路或出現死水區現象。因此，將頁巖與粗礫石組合使用應是一個雙贏的填料選擇方案。

人工濕地生物生態集成技術具有運行成本低、出水水質好等優點，可以實現我國村鎮生活污水的處理和資源的再生利用，有利于全面落實科學發展觀、建設生態小城鎮和文明村，同時可以大力提升我國廣大農村的環境質量，因此具有較大的應用價值和推廣的前景。

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中圖分類號：X524

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）03-0057-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.018

收稿日期：2016—01—29

作者簡介：侯佳（1983—），女，工程師，主要從事南水北調輸水運行管理工作。