人工濕地系統配料對生活污水處理效果探究

摘要：文章通過7組對比試驗，探究了不同配料比例下人工濕地系統對城鎮生活污水中的NH4+-N、CODcr、TP、TN、NO3--N的去除效果，其中粉煤灰填料對COD、NH4+-N等具有良好的去除效果，空心磚填料對污水中的TP成分具有比較顯著的去除效果。

關鍵詞：人工濕地；城鎮生活污水；NH4+-N；CODcr；TP；NO3--N；TN 文獻標識碼：A

中圖分類號：X131 文章編號：1009-2374（2017）02-0082-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.039

21世紀以來，我國城市化步伐加快，農村人口急劇向城鎮涌入，城鎮人口增加促進工農業的快速發展的同時所引發的一系列環境污染問題也日益嚴重，城鎮生活污水是導致水質不斷惡化的一個重要原因。基于人工濕地具有高效率的處理污水能力，對有機物有較強的降解能力，能有效去除污水中的N、P，同時投資運轉費低，逐漸受到社會的關注。針對不同生活地區的污水水質，研究填料的性能、去污機理，對不同水質的城鎮生活污水設計應用不同的配料方案，具有重要的現實意義。

1 人工濕地系統概述

1.1 相關概念

人工濕地類似于沼澤環境，通過人工建造和監督控制內部的生態系統，利用這個微小濕地自然生態系統中的生化反應來進行廢水的處理。按污水的流動方式，可以將人工濕地系統分成地表流濕地、潛流濕地和垂直流濕地三種。地表流濕地即該系統主要在地表，污水水位多在0.1～0.6m，較淺，主要在濕地系統淺表層流動。潛流濕地系統主要位于系統的中部，該部位具有豐富的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料，為處理污水中氮、磷的主要吸收部位。垂直流濕地系統中污水的流動含水比較復雜，兼備地表流濕地和潛流濕地系統的吸附特點。污水通過填料床在濕地系統中由上向下的垂直流動，水流觸底后被鋪設在出水端底部的集水管收集起來，并經由排出系統處理。

1.2 人工濕地對氮的去除機理

在濕地系統中，微生物主要通過硝化和反硝化作用去除氮元素，同時由于填料作為微生物的生存載體而對氮的去除起著重要的作用。對于微生物而言，比表面積越大的填料生物膜的生長越快，比表面積是決定填料有效性的關鍵，越大的比表面的填料對氮的去除效果越好。濕地填料的理化環境對污水的除氮效果有著重要影響，主要通過氧化還原電位環境來反映，這種氧化還原電位環境還會進一步影響植物或微生物生長代謝過程，來間接控制濕地的除氮效率。試驗表明，濕地填料的含水率對系統的除氮效率影響較大，當土壤水分含量超過正常田間的持水量的60%時，反硝化作用隨著土壤含水率增加而增強，當土壤達到飽水狀態時反硝化作用最強。

1.3 人工濕地系統對磷的去除機理

人工濕地系統對磷的去除主要是通過填料實現，通過系統中填料的吸收和過濾等物理化學作用完成。當生活污水流經人工濕地系統時，系統內部的填料通過物理吸收、吸附以及化學離子交換、絡和反應等來除去污水中的磷。前人通過模擬磷在模擬秋茄濕地系統中的分配與循環，發現磷主要分布在土壤中，少部分位于植物體和凋落葉中。

1.4 人工濕地系統組成

人工濕地系統由填料、水生植物和微生物組成。人工濕地的填料一般為煤灰、磚塊和石塊，為水生植物提供載體和營養物質，也為微生物的生長提供生長環境。常用的水生植物如蘆葦、水蔥、美人蕉、沙蒲等可以直接吸收污水中的營養物質，對一些重金屬及一些有毒有害物質具有一定的吸附能力。人工濕地系統中的生物菌是人工濕地系統的核心，它們所在的填料就是一座小的生化工廠。微生物能對生活污水中的有機物質進行降解，變成水生植物可直接利用吸收的有機物質。同時植物通過自身光合作用合成氧氣，根據距離植物根系的不同距離，可以將根系劃分為好氧區、兼氧區和厭氧區，供各類好癢和厭氧細菌使用。

2 材料與方法

2.1 填料的選擇

2.1.1 試驗材料。試驗填料為粗礫石、粉煤灰、煤渣、空心磚。碎石粒徑為2～4mm，放置于填料柱的底部，主要成分為Al2O3、Fe2O3、CaO。前人研究表明，粗糙的沉積物作為人工濕地填料較好，這樣容易形成較好的滲透環境，使得廢水比通過填料，使得除氮的各種機理可以在填料內部充分地發生。研究發現沸石蘆葦床在水力負荷0.6m2/d的情況下，系統對各種形態的氮都有較好的去除能力，沸石對氨氮的吸附、離子交換作用是除氮的主空心磚，其原始材料為黏土、高嶺土、耐火土，燒結空心磚中摻合的黏結料像易熔、頁巖等泥料對生活污水中的重金屬離子具有一定的吸附作用，再由粉煤灰燒結而成。淋洗生活污水從某市污水處理廠中提取，實驗水質剛經過了初步的粗格柵處理經過試驗測試，該污水的主要水質中COD含量為94.34～175.34mg/L，NH4+-N的含量為25.3～29.6mg/L，NO3--N的含量為2.2～3.6mg/L，TP的含量為2.23～5.92mg/L，pH范圍為8.32～8.64。

2.1.2 試驗方法。根據粉煤灰，煤渣和空心磚的體積不同設計7組實驗：

試驗裝置由污水供給部分（污水配給瓶、流量控制裝置）、濕地系統部分（填料柱）和收集處理部分（大漏斗及接收器、濾紙、紗布）組成。

2.1.3 樣品采集。每24小時淋洗一次，單次污水淋洗200mL，連續淋洗10次，共淋洗2L，每淋洗一次取樣一次，取樣時間為每天上午9點。COD采用重鉻酸鉀氧化法；NH4+-N采用連續流動注射分析儀測定；NO3--N采用連續流動注射分析儀測定；TN的濃度測試使用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法；TP濃度使用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測試。

2.2 室外試驗材料與方法

2.2.1 人工濕地系統設計。濕地系統使用潛流和垂直流串聯組合的方式運行，水流方式設計為上行流-下行的復合水流方式，污水水流垂直向下流動并從下一單元底部出水，再從下一級單元上部出水。填料為粒徑介于30mm以內的陶粒。為了增強系統的過水性能防治堵塞，系統處理前用較大粒徑，再用較小粒徑的填料，以提高與污水的接觸面積。

2.2.2 試驗方案。本試驗設計反應器施工、啟動及運行等階段，其中反應器施工50天、反應器啟動時間30天、連續運行時間113天。

2.2.3 采樣頻率。采樣內容包括NO3--N、CODcr、TN、TP、NH4+-N等城市生活污水常規指標，流量五天監測一次，其他污水指標測試周期為三天。

3 結果與分析

3.1 TP去除效果

根據試驗數據，TP去除效果從好到差為RGSD113>RGSD112>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD211>RGSD311。淋洗初期RGSD113、RGSD112去除率較高，RGSD131、RGSD121次之，RGSD211、RGSD311較RGSD111低。RGSD113、RGSD112空心磚比例較多，空心磚中大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO形成的水合物在填料表面能與污水中磷酸根離子結合。

3.2 NH4+-N去除效果

試驗表明，TN去除效果從好到差為RGSD311>RGSD211>RGSD121>RGSD113>RGSD111>RGSD112>RGSD113。RGSD211、RGSD311在淋洗初期效果較好，其次為RGSD121、RGSD131，最差的是RGSD112、RGSD113、RGSD111。當淋洗污水量加大后，淋洗水量的增加后造成NH4+-N吸附能力飽和，處理能力下降，導致NH4+-N去除率逐漸下降。

3.3 CODcr去除效果

試驗表明，CODcr去除效果從好到差為RGSD311>RGSD211>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD112>RGSD113，隨著處理時間的推移，各種配比的處理系統均有不同程度的下降。開始淋洗時RGSD211、RGSD311處理效果較好，其次是RGSD121、RGSD131，最差的是RGSD112、RGSD113。經4次淋洗后，RGSD311去除率效果相比于其他系統最好。

3.4 NO3--N去除效果

試驗表明，對NO3--N去除率自高至低依次為RGSD113>RGSD112>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD211>RGSD311，在處理后期各有不同程度的下降，但下降幅度有所差異，其中RGSD113、RGSD112在淋洗初期去除率最高，其次是RGSD131、RGSD121，最差的是RGSD211、RGSD311、RGSD111。到淋洗后期，整體出現不同程度下降，其中RGSD311最差，說明NO3--N去除效果受調料種類以及級配影響小。

3.5 填料不同級配對TN去除的影響

淋洗初期RGSD211、RGSD311去除率較高，RGSD121、RGSD131次之，RGSD311、RGSD112較RGSD111低，通過對比分析可以發現不同填料和級配對TN去除有著較大的影響。經過4次淋洗后，RGSD311去除率最好，這是由于該有機污染物的去除主要是通過填料吸附和微生物降解來完成處理，該級配的粉煤灰水力滲透系數低，造成水滯，為填料接觸創造了大量的接觸時間和面積，為吸附沉降創造了條件。

4 結語

試驗表明，在相同的水質、水量下，不同填料對污水中的污染物的處理效果不同，其中，粉煤灰對COD、TN、NH4+-N處理效果好，空心磚對污水對TP去除效果好，粉煤灰、煤渣以及空心磚對NO3--N去除效果不理想。

參考文獻

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[2] 劉寶，萬紅友，田立.SBR與土壤滲濾組合工藝對小城鎮污水中磷去除的實驗研究[J].科技風，2011，（5）.

作者簡介：李軒（1998-），女，湖南衡陽人，湖南省長郡中學學生，研究方向：給排水。

（責任編輯：王 波）