基于煤矸石沸石自動改性的潛流人工濕地填料組合方案研究*

黃 偉 張榮新 傅金祥 焦義利 王國強

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

黃 偉 張榮新#傅金祥 焦義利 王國強

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

針對傳統礫石填料容易造成堵塞，導致潛流人工濕地處理效果變差的問題，開展填料優化選擇研究。結果表明，煤矸石/沸石/礫石這一填料組合方案大大延長了潛流人工濕地的堵塞周期，比傳統礫石填料組合至少晚6d，對COD、氨氮、總磷的平均去除率分別提高26.4、9.4、18.7百分點，堵塞位置向下部移動30cm，水頭損失日均增加量和孔隙率變化量日均增加值分別低0.01cm和0.02%。

潛流人工濕地 自動改性 堵塞速率 孔隙率

潛流人工濕地作為高效及環保的污水處理方式，主要依靠內部填料的過濾和附著在填料表面的微生物作用對污水進行處理[1-2]。潛流人工濕地內部填料常采用單一基質，這種單一基質填配方式容易造成堵塞，堵塞一般發生在潛流人工濕地表層0～15 cm處[3]，使進水不能深入潛流人工濕地底層，底層部分填料不能充分利用，造成填料的浪費；表層溶解氧不能深入底層，底部微生物的有氧活動只能部分進行，造成潛流人工濕地整體處理效果下降，嚴重限制了潛流人工濕地的大面積普及應用[4-8]。

為解決潛流人工濕地的堵塞問題，已有很多學者進行了相關的探索。葉建峰等[9]研究了無煙煤新型填料基質。郭晉玲等[10]對進水進行預處理以降低潛流人工濕地的進水負荷。朱偉等[11]采用化學溶脫法延緩堵塞。張翔凌[12]研究了不同粒徑的基質對堵塞的影響。王國強等[13]采用沸石/礫石填料組合優化潛流人工濕地內部的填料基質等。眾多研究表明，填料的組合和填料的粒徑是影響潛流人工濕地堵塞的關鍵因素。眾多學者認為，礫石填料是潛流人工濕地的最佳填料，礫石填料最突出的優點是較經濟，但礫石填料對氨氮和COD處理效果較差，抗堵塞性能較弱，運行延續性較低[14-16]。從提升處理效果和延長潛流人工濕地填料的堵塞周期兩方面出發，篩選出新型的潛流人工濕地填料組合是解決潛流人工濕地堵塞的難點。

本研究根據以往研究過程中的經驗和不足，從潛流人工濕地的處理效果、堵塞周期、堵塞位置等方面將新型填料組合與傳統礫石填料組合進行比對分析。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

采用有機玻璃做4個圓形試驗柱，外徑為20 cm，內徑為19 cm，高度為130 cm，布水管布置在頂部下方2 cm，布水管下部3 cm裝填填料，試驗柱內的填料高度為110 cm，試驗柱沿高度方向每隔10 cm設置1個取樣口，一共11個，在取樣口對稱面設置11個測壓口，用膠皮軟管連接到后面的測壓板上，獲得11個取樣口的水壓，進水采用蠕動泵控制進水流量和流速，通過試驗柱上部的布水管進水，通過底部出水口出水，試驗裝置示意圖見圖1。潛流人工濕地采用不同粒徑的填料進行填充，選取礫石、沸石、煤矸石作為潛流人工濕地的內部填料。其中傳統礫石填料組合：布水管下方3 cm開始放置填料依次為礫石(0～40 cm,粒徑3～5 mm)、礫石(40～80 cm，粒徑5～8 mm)、礫石(80～110 cm，粒徑8～11 mm)，承托層裝填(110～125 cm)；新型填料組合：布水管下方3 cm開始放置填料依次為煤矸石(0～40 cm，粒徑3～5 mm)、沸石(40～80 cm，粒徑5～8 mm)、礫石(80～110 cm，粒徑8～12 mm)，承托層裝填(110～125 cm)。所用填料規格見表1，試驗裝置連續運行30 d。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental device

填料密度/(g·cm-3)磨損率/%孔隙率/%質量分數/%破損率/%礫石2．65≤0．349．50≥99≤0．35沸石1．80～2．20≤0．550．50≥80≤1．00煤矸石1．50～1．80≤1．447．80≥80≤1．60

1.2 試驗用水

試驗用水為校園人工湖水，水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級B標準，能夠很好地模擬潛流人工濕地實際工程的進水水質。為了使試驗裝置更快出現堵塞現象，向所取湖水中投加高嶺土，使進水懸浮物質量濃度達到(100.0±2.3) mg/L左右。試驗用水水質見表2。

表2 試驗用水水質

1.3 分析方法

主要通過COD去除率、氨氮去除率、總磷去除率、水頭損失及孔隙率變化量來反映填料的堵塞。COD采用快速密閉消解/分光光度法、氨氮采用納氏試劑分光光度法、總磷采用過硫酸鉀氧化/鉬銻抗比色法進行測定；對4個試驗柱連接膠皮軟管作為測壓管，根據膠皮軟管的液面高差計算水頭損失；孔隙率變化量按照填料飽和放空水量體積法進行計算。其中COD、氨氮、總磷每天監測1次，水頭損失和孔隙率變化量每2～3 d監測1次。

2 結果與分析

2.1 不同填料組合對水中污染物去除效果分析

新型填料組合和傳統礫石填料組合對COD、總磷、氨氮的去除率隨時間的變化分別見圖2、圖3和圖4。

圖2 COD去除率隨時間的變化Fig.2 Change of COD removal rate with time

由圖2可知，1 d時新型填料組合對COD的去除率為67.6%，傳統礫石填料組合對COD的去除率為46.2%，新型填料組合對COD去除率比傳統礫石填料組合高21.4百分點。1～17 d，新型填料組合對COD的去除率總體呈上升趨勢，由67.6%上升至75.9%，COD去除率增加了8.3百分點；17～18 d，新型填料組合對COD的去除率突降，由75.9%突降為70.1%，突降了5.8百分點；17～30 d，新型填料組合對COD的去除率整體呈現下降的趨勢，由75.9%降至52.4%。1～11 d，傳統礫石填料組合對COD去除率由46.2%上升至56.2%；11～12 d，COD去除率突降，由56.2%突降為42.1%；11～30 d，傳統礫石填料組合對COD的去除率整體呈下降趨勢，30 d時，其COD去除率為24.3%。新型填料組合對COD的去除率比傳統礫石填料平均高26.4百分點。

圖3 總磷去除率隨時間的變化Fig.3 Change of TP removal rate with time

圖4 氨氮去除率隨時間變化Fig.4 Change of ammonia nitrogen removal rate with time

由圖3可知，1 d時，新型填料組合對總磷的去除率為32.7%，傳統礫石填料組合對總磷去除率為23.4%，新型填料組合對總磷的去除率比傳統礫石填料組合高9.3百分點。1～17 d，新型填料組合對總磷的去除率總體上逐漸增加，17 d時去除率達到最大，為38.9%；傳統礫石填料組合對總磷的去除率在11 d時達到最大，為24.5%，與新型填料組合最大值相差14.4百分點；17～18 d，新型填料組合對總磷的去除率出現突降，由38.9%下降至30.9%；而傳統礫石填料組合在11～12 d出現突降，由24.5%下降至20.7%。新型填料組合對總磷去除率比傳統礫石填料組合平均高9.4百分點。

由圖4可知，1 d時新型填料組合對氨氮去除率為54.3%，傳統礫石填料組合為30.5%，新型填料組合對氨氮去除率比傳統礫石填料組合高23.8百分點。1～11 d，傳統礫石填料組合對氨氮的去除率整體呈上升趨勢，11 d時達到最大，為37.2%；11～12 d出現突降，下降至32.1%。新型填料組合在1～17 d氨氮去除率大體上呈緩慢上升趨勢，由54.3%上升至58.7%；17 ～18 d對氨氮的去除率出現突降，由58.7%降至50.2%；17 d之后，新型填料組合對氨氮的去除率整體呈現下降的趨勢。新型填料組合對氨氮去除率比傳統礫石填料組合平均高18.7百分點。

綜上所述，新型填料組合對COD、總磷、氨氮的去除率隨時間變化的規律基本相同，去除率在17～18 d發生突降，表明在17 d發生堵塞；傳統礫石填料組合對COD、總磷、氨氮的去除率在11～12 d產生突降，表明在11 d發生堵塞；新型填料組合的堵塞周期比傳統礫石填料組合晚6 d。新型填料組合在0～40 cm范圍內填充煤矸石，有機物易在煤矸石表層吸附，且煤矸石疏松的結構使水流容易向下部流動，試驗裝置運行一段時間后，其截留的水量遠遠低于礫石填料，40～80 cm范圍內填充沸石，抑制煤矸石產生的酸性物質，使煤矸石處理污水的延續性能夠增強，從而降低了潛流人工濕地的堵塞速率。

2.2 不同填料組合水頭損失和孔隙率變化量隨深度變化趨勢分析

新型填料組合和傳統礫石填料組合的水頭損失隨深度變化見圖5，其中水頭損失為1～30 d平均值。由圖5可知，深度為10 cm時，新型填料組合與傳統礫石填料組合的水頭損失分別為0.70、0.78 cm；深度20～30 cm傳統礫石填料組合出現水頭損失突躍，由0.85 cm變為0.96 cm，表明在此深度范圍發生了堵塞，導致水頭損失迅速增加。新型填料組合在深度10～30 cm范圍內水頭損失平均值比傳統礫石填料組合低0.16 cm；在深度為50～60 cm時，新型填料組合水頭損失由0.73 cm突躍為0.96 cm,水頭損失變化了0.23 cm。水頭損失值越大，表明在此深度發生的堵塞越嚴重。由水頭損失突躍變化可知傳統礫石組合堵塞發生在20～30 cm，新型填料組合主要發生在50～60 cm，堵塞位置向下移動30 cm。深度為60～110 cm時，傳統礫石填料組合水頭損失由0.98 cm降為0.78 cm，新型填料組合由0.96 cm降為0.73 cm，隨著深度的增加，水頭損失整體呈降低趨勢。傳統礫石填料組合與新型填料組合相比，前者更容易發生堵塞，前者在深度0～40 cm處，截留了大量的進水雜質和顆粒，造成表層的水頭損失高于底部的水頭損失。

圖5 水頭損失隨深度變化Fig.5 Change of head loss with depth

新型填料組合和傳統礫石填料組合的孔隙率變化量隨深度變化見圖6，其中孔隙率變化量為1～30 d平均值。由圖6可知，深度為10 cm時，新型填料組合孔隙率變化量為1.83%；傳統礫石填料組合孔隙率變化量為3.13%，是新型填料組合孔隙率變化量的1.71倍；深度為50～60 cm時，新型填料組合孔隙率變化量發生突躍，從2.31%升至3.14%，說明此處堵塞嚴重；深度為20～30 cm時，傳統填料組合孔隙率變化量從3.14%升至3.86%，說明此處堵塞嚴重。

圖6 孔隙率變化量隨深度變化Fig.6 Change of porosity variation with depth

綜上所述，深度為20～30 cm時，傳統礫石填料組合水頭損失和孔隙率變化量產生較大突躍，50～60 cm時，新型填料組合水頭損失和孔隙率變化量變化較大，水頭損失和孔隙率變化量變化越大表示堵塞程度越大，新型填料組合使得堵塞位置向下移動30 cm。堵塞的主要原因是進水中的懸浮顆粒在填料間隙累積，導致水流不能順利向下部流動，造成潛流人工濕地表層水流囤積。傳統礫石填料組合的堵塞情況較嚴重，新型填料組合表層煤矸石結構疏松，所以其在吸附進水有機物后不會影響后續進水，使得進水能夠深入下層沸石中繼續被處理，沸石與煤矸石的物理特性具有互補作用，使得堵塞位置向下移動。傳統礫石填料組合的水頭損失和孔隙率變化量高于新型填料組合，表示傳統礫石填料組合比新型填料組合更容易堵塞。

2.3 不同填料組合水頭損失和孔隙率變化量隨時間變化趨勢分析

新型填料組合和傳統礫石填料組合的水頭損失(110 cm處)隨時間變化情況見圖7。由圖7可知，傳統礫石填料組合和新型填料組合在1 d時水頭損失分別為0.80、0.70 cm；1～30 d，兩種填料組合水頭損失整體呈增加趨勢；傳統填料組合水頭損失在10～12 d時發生突躍，由0.98 cm 上升為1.32 cm，增加0.34 cm；新型填料組合在17～19 d時水頭損失發生突躍，由0.83 cm上升為1.13 cm；30 d時，新型填料組合和傳統礫石填料組合的水頭損失分別為1.27、1.58 cm。1～30 d，新型填料組合和傳統礫石填料組合的水頭損失日均增加量為0.02、0.03 cm,傳統礫石填料組合水頭損失日均增加量比新型填料組合大0.01 cm。

圖7 水頭損失隨時間變化Fig.7 Change of head loss with time

新型填料組合和傳統礫石填料組合的孔隙率變化量(110 cm處)隨時間變化情況見圖8。由圖8可知，新型填料組合和傳統礫石填料組合在1 d時孔隙率變化量分別為1.68%、3.10%；30 d時，新型填料組合和傳統礫石填料組合的孔隙率變化量分別為2.48%、4.64%；1～30 d兩種填料組合的孔隙率變化量均呈現遞增趨勢；新型填料組合和傳統礫石填料組合孔隙率變化量日均增加值為0.03%、0.05%；傳統礫石填料組合孔隙率變化量在10～12 d時發生突躍，由3.23%變為4.15%，新型填料組合在17～19 d時發生突躍，由1.88%變為2.34%。

圖8 孔隙率變化量隨時間變化Fig.8 Change of porosity variation with time

綜上所述，傳統礫石填料組合和新型填料組合的水頭損失及孔隙率變化量均隨時間而逐漸增加，新型填料組合在17～19 d時水頭損失和孔隙率變化量發生突躍，傳統礫石填料組合在10～12 d時水頭損失和孔隙率變化量發生突躍，這表明裝置內部發生了堵塞，突躍數值越大，表明堵塞越嚴重。

3 結 論

(1) 新型填料組合對污染物的去除效果優于傳統礫石填料組合，新型填料組合對COD、總磷和氨氮的最高去除率分別為75.9%、38.9%、58.7%，比傳統礫石填料組合分別高26.4、9.4、18.7百分點。

(2) 傳統礫石填料組合發生堵塞的周期約為11 d，堵塞發生在深度20～30 cm處；新型填料組合堵塞周期為17 d，堵塞發生在深度50～60 cm處；新型填料組合比傳統礫石填料組合堵塞周期增加至少6 d，堵塞位置向下移動了30 cm；新型填料組合的抗堵塞性能更優。

(3) 新型填料組合水頭損失日均增加量比傳統礫石填料組合低0.01 cm, 孔隙率變化量日均增加值低0.02%，新型填料組合的堵塞速率低于傳統礫石填料組合。

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Studyonsubstratescombinationschemesofsubsurfaceflowconstructedwetlandbasedoncoalgangue/zeoliteautomatic-modification

HUANGWei,ZHANGRongxin,FUJinxiang,JIAOYili,WANGGuoqiang.

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,ShenyangLiaoning110168)

Clogging caused by traditional gravel substrate would result in the decrease of treatment effect of subsurface flow constructed wetland. Optimization of substrates selection was studied in regard to this issue. The results showed that new combination of substrates (coal gangue/zeolite/gravel) greatly extended the clogging cycle of subsurface flow constructed wetland,which was at least 6 days more than that of traditional gravel substrate. Compared with traditional gravel substrate，the average removal rate of COD,ammonia nitrogen and TP of new combination was increased by 26.4,9.4 and 18.7 percent point,respectively. The clogging position was 30 cm deeper than traditional gravel substrates. Daily head loss increment and daily increment of porosity variation was 0.01 cm and 0.02% less than traditional gravel substrate,respectively.

subsurface flow constructed wetland; automatic-modification; clogging rate; porosity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.011

2016-04-17)

黃 偉，男，1991年生，碩士研究生，研究方向為污水的人工濕地處理方法。#通訊作者。

*住房和城鄉建設部科學技術計劃項目(No.2015-K7-018)；國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2014ZX07202-011)。