三種基質及其組合配比對生活污水的凈化效果

萬暢 祝浩翔

摘? ?要? ?為掌握三種基質及組合配比對生活污水凈化的規律，為提高生活污水的凈化效率提供參考依據，通過模擬垂直流人工濕地，選取沙、爐渣、土壤三種基質以體積比1∶2∶1，1∶1∶2，2∶1∶1按固定順序自下而上依次裝填試驗系統，分別編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，同時設有單一基質裝填及空白對照試驗（全沙、全爐渣、全土、空白，依次編號Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ），以不同的水力停留時間（HRT）：0.5 d、1 d、3 d、5 d、7 d、9 d，探究對生活污水中的NH4+-N、TP的去除率及pH的影響。結果表明，Ⅰ系統NH4+-N的平均去除率最高;Ⅴ系統TP的平均去除率最高，其次為Ⅰ;各系統在0.5～9 d的HRT下，Ⅰ～Ⅵ的NH4+-N及TP去除率存在最高點。但在Ⅶ系統中，TP去除率基本不變，NH4+-N去除率存在最高點。本試驗中，系統Ⅰ對NH4+-N及TP均表現出良好的去除效果，即最佳的基質配比為1（沙）∶2（爐渣）∶1（土壤）;且在1 d時NH4+-N去除率最高，在5 d時TP去除率最高。

關鍵詞? ?人工濕地;基質及其組合配比;HRT;生活污水凈化;污染物去除率

中圖分類號：X52? ? 文獻標志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.1.003

目前，生活污水等問題日益嚴重，一方面排放總量持續上升，另一方面面臨著極低的生活污水處理率。傳統的污水處理技術要么效率不高，要么受經濟條件限制，故低成本、高效率的人工濕地污水處理技術就凸顯其作用[1]，這類工藝投資省、運行費用低、處理效果好[2-4]，并且可以創造出具觀賞性、美學功能的濕地景觀。而基質作為人工濕地的最基本要素，其種類及組合配比對生活污水的去污效果起著至關重要的作用，國內外學者做過很多關于它們的研究，但由于區域條件環境的限制，結果表現得有些差異。近年來，人工濕地的基質去污效能成為研究熱點，張燕等人通過等溫熱力學吸附試驗，比較了人工濕地的基質高鈣廢渣、改性赤泥和火山石對污水中氨氮的去除效果，結果表明高鈣廢渣對NH4+-N的吸附效果最好[5]。而影響水中NH4+-N及TP去除的因素有很多，其中包括基質的吸附、沉淀及水力停留時間，所以在不同的水力停留時間下探究基質及組合配比對生活污水的凈化效果就更有實際的應用意義。本文選取三種經濟易得的基質：沙子、爐渣、土壤，以1∶1∶2，1∶2∶1及2∶1∶1的比例模擬構建濕地基質組成，探究比較生活污水凈化效率，從而優化基質配比、明確最適水力停留時間，為今后生活污水的處理，海綿城市、雨水花園設計等提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗系統的構建

本試驗所取的土壤來源于西南大學（重慶市北碚區）厚藝園，取表層20 cm以下的土壤;爐渣購于山東棗莊，清洗后多次過網篩選，晾干待用，3～6 mm的粒徑;沙子是購于重慶市北碚嘉陵江的河沙，粒徑0.08～1.00 mm，主要成分是SiO2，晾干待用。

構建試驗系統：模擬小型的垂直流人工濕地，將一個上直徑32 cm、下直徑25 cm、高45 cm的塑料桶進行改裝，在距離其底部1 cm處鑿一個孔，安裝水龍頭，控制污水的進出。自桶的底部至20 cm高處分別分層填充基質沙、爐渣、土壤，改變基質的高度，即改變其配比;從桶20 cm高處起至桶高30 cm止填充人工配制的生活污水（見圖1）。

試驗設置7組系統，即7個處理，編號依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ ，為了確保試驗的準確性，每組系統試驗重復3次，取平均值，并且將試驗系統置于人工搭建的大棚中，以減少其他因素的干擾。

本試驗由沙、爐渣、土壤固定順序自下而上填充試驗系統，比例分別為1∶2∶1，1∶1∶2，2∶1∶1，并設置對照（見表1）。

1.2 污水的配制及用量

供試污水模擬城鎮污水處理廠污染物排放標準中的三級標準[6]，使用氯化銨和磷酸二氫鉀進行氮、磷濃度的配制[7]，初始指標：NH4+-N 10 mg·L-1，TP 4 mg·L-1，pH=6.3。污水用量相同，均為30 L。

1.3 水樣采集及指標測定

1.3.1 水樣采集

本試驗地點在西南大學30教學樓頂樓，從7月底持續到8月16。試驗開始運行，每隔0.5 d、1 d、3 d、5 d、7 d、9 d采集水樣（以HRT表示水力停留時間），打開閥門采集，采集后及時關掉閥門。每次采集的水樣均為50 mL，減少因進水量的不同而產生的誤差，及時測量出水樣的NH4+-N、TP濃度及pH值，根據測出的結果取每個系統的平均值。

1.3.2 指標測定

利用哈納HI83200儀器測定水樣的NH4+-N、TP濃度，用R表示污染物出水濃度，分別測出同一試驗裝置三次重復的出水濃度R1、R2、R3。

利用精密pH試紙測水樣的pH值。

1.4 數據處理與分析

圖表繪制和數據處理使用Excel 2010軟件進行。

某一污水污染物出水濃度的平均值? ?（mg·L-1）的計算公式為：

（1）

（1）式中，R1、R2、R3為同一試驗裝置的三次重復試驗的污染物出水濃度（mg·L-1）

某一試驗裝置污染物（TP、NH4+-N）去除率λ（%）的計算公式為：

（2）

（2）式中，R0為污染物進水濃度（mg·L-1）;

為出水濃度平均值（mg·L-1）。

2 結果與分析

2.1 三種基質及其組合配比對NH4+-N凈化效果

由表1可以得出，綜合0.5～9 d的時間，NH4+-N的平均去除率Ⅰ（21.93%）>Ⅴ（19.4%）>Ⅵ（17.92%）>Ⅲ（15.8%）>Ⅱ（15.48%）>Ⅳ（12.33%）>Ⅶ（1.42%）。通過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ系統與Ⅶ系統的氨氮去除率對比可以看出，前六個系統的NH4+-N平均去除率在12.33%～21.93%，平均值為17.14%，是Ⅶ系統的8.7～15.4倍。

系統Ⅰ對NH4+-N的去除率明顯優于其他系統，平均值為21.93%;對照系統Ⅶ的NH4+-N去除率最低，平均值是1.42%。組合基質裝填的系統Ⅱ（15.48%）與Ⅲ（15.8%）對NH4+-N的去除率差異不明顯，但都弱于單一基質裝填的系統Ⅴ、Ⅵ。

各系統的NH4+-N的去除率在水力停留時間為0.5～3 d時較高，但最高僅為34.7%。而5～9 d的NH4+-N去除率開始下降，在5%左右。Ⅰ～Ⅵ系統的NH4+-N去除率受時間的影響大。在0.5 d、1 d、7 d、9 d時，各系統的NH4+-N平均去除率變化差異較大;在3 d、5 d時，Ⅰ-Ⅵ變化差異縮小。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ系統均表現出先上升后下降的趨勢，在1 d時NH4+-N去除率達到最高值;Ⅳ、Ⅴ系統0.5 d時NH4+-N去除率就達到最高值;Ⅶ系統的NH4+-N去除率趨勢為先上升后下降，3 d達到最高值2%。

2.2 三種基質及其組合配比對TP凈化效果

由表2可知，在0.5～9 d的水力停留時間下，TP平均去除率Ⅴ（91.25%）>Ⅰ（82.08%）>Ⅱ（75%）>Ⅵ（59.17%）>Ⅲ（35%）>Ⅳ（32.5%）>Ⅶ（2.5%）。對于單一基質裝填的系統而言，TP平均去除率：Ⅴ>Ⅵ>Ⅳ;對于基質組合裝置而言，TP平均去除率：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。且Ⅴ的TP平均去除率最高，其次為Ⅰ;Ⅶ系統的TP去除率始終保持在2.5%。

Ⅰ～Ⅵ系統對TP去除率的變化有著相似的趨勢：各系統的變化受時間的影響較大;TP去除率存在轉折點，在0.5～5 d時TP去除率達到最大值。Ⅴ在3 d達到最高值92.5%后基本保持不變。Ⅰ系統在5 d時TP去除率達到最高，而Ⅶ系統的TP去除率保持不變。徐麗等研究表明，為得到較高的TP去除率，水力停留時間應>1 d[8]。

2.3 三種基質及其組合配比對pH的影響

由表3可得，Ⅰ～Ⅶ系統的pH平均值為6.30，與進水pH值相等，各系統的pH值在6.2～6.5，波動幅度不大。

3 討論

3.1 三種基質及其組合配比對生活污水凈化的影響

本試驗中，各系統對NH4+-N的去除率都不算太高，平均為14.89%，不到20%。這可能是因為基質及基質配比并不是去除生活污水中NH4+-N的最重要因素。而TP去除率的變化幅度大，最高達到了91.25%，說明基質及其組合配比在很大程度上影響了TP的去除，這與Reddy等的人工濕地中70%～87%的磷都是通過基質去除的研究結論相一致[9]。

本試驗中，系統Ⅶ（空白對照）顯示對NH4+-N的平均去除率為1.4%，推測這部分NH4+-N可能是通過揮發的方式從人工濕地中去除的。有關研究表明，揮發是NH4+-N的去除途徑之一，并且在一定的條件下，NH4+-N的揮發量會隨著生活污水蒸發量的增加而升高[10]。Ⅶ系統的NH4+-N的平均去除率約是Ⅰ～Ⅵ的1/12，且進水水質的pH值為6.3，所以在本試驗中可以忽略因揮發從系統中逸出的NH4+-N。這與Reddy和Patrick的發現是一致的，他們得出當pH值低于7.5時，NH4+-N揮發作用可以忽略[11]。Ⅶ系統的TP去除率始終保持在2.5%，這可能與HI83200儀器測量TP精度為0.1有關。Ⅶ系統對TP的去除率遠低于Ⅰ～Ⅵ，說明了外部環境對試驗的干擾很小。

Ⅰ系統對NH4+-N的去除率明顯優于其他系統，推測可能與基質分層促進硝化與反硝化的進行有關。這與劉慎坦等對比組合基質與煤渣基質，得出組合基質由于有利于濕地中形成上層以硝化菌為主的硝化反應區和下層以反硝化菌為主的反硝化區，所以有更好的脫氮效果的研究相一致[12]。Ⅰ系統的TP去除率優于其他組合基質裝填的系統，并且隨著水力停留時間的延長，這個規律基本不變。這可能與爐渣占比多有關。

Ⅴ爐渣對TP的去除效果明顯優于Ⅵ土壤和Ⅳ沙，這可能是爐渣中金屬氧化物而引起的。并且有研究表明，爐渣中存在著鋁氧化物、鈣氧化物，又因為爐渣疏松多孔的物理特性，使磷可以被均勻地吸附，為鋁、鈣對磷的物理化學作用創造了有利的條件[13]。對于本試驗中的土壤，它取自西南大學厚藝園，可能含有一些金屬氧化物，滿足了基質對磷的化學吸附條件，因此對TP的去除效果較好;而沙的孔隙率很小，金屬氧化物含量極少，并且沙子基本不與磷發生化學反應，所以它對TP的去除率較低。

各系統在0.5～9 d的HRT下，對NH4+-N、TP去除率均存在轉折點。有研究表明，污染物質轉移受構筑濕地內部的水力學特征影響，從而直接影響污水凈化效果[14]。并且，在一定范圍內，隨著HRT的增加，NH4+-N及TP的去除率在提高，但達到某一階段后，NH4+-N及TP的去除率反而會隨著水力停留時間的延長而減小。這是因為在前一階段NH4+-N能與基質充分有效接觸，充足的氧氣促進了硝化反應，所以NH4+-N去除率會變高。但達到最佳值后，隨著HRT的增加，系統處于嚴重缺氧的狀態，硝化反應受到了阻礙，因此NH4+-N去除率基本保持不變或緩慢下降。這與王世和等在水力停留時間對NH4+-N去除率的研究中所發現的結果[15]是相一致的。對TP而言可能是因為時間不夠，反應不充分;時間過長，易形成污水滯留，也有研究表明水力負荷的改變容易引起TP去除率的變化，這種變化是敏感的，而且TP去除率會在濕地基質吸附交換達到平衡后顯著減小[16]。

3.2 三種基質及其組合配比對生活污水pH的影響

本試驗中經模擬的垂直流人工濕地凈化的生活污水的pH波動不大，數值在6.3左右。這說明不同基質及組合配比對生活污水凈化后的pH影響不大，但并不能斷定為毫無影響，因為本試驗中的pH是用pH試紙測定的，存在一定的誤差。但生活污水的pH會影響污水中NH4+-N及TP的去除率：影響NH3和NH4+在生活污水里的平衡轉換;影響濕地沉積物磷的釋放從而影響磷的去除效果。

4 結論

三種基質及其組合配比對NH4+-N、TP的去除率及pH存在一定差異，其中，TP的平均去除率較高，NH4+-N的平均去除率較低，而對pH沒有明顯的影響。Ⅰ系統NH4+-N的平均去除率最高;Ⅴ系統TP的平均去除率最高，其次為Ⅰ。本試驗中最佳的基質配比是系統Ⅰ，且Ⅰ系統在1 d時NH4+-N去除率最高，在5 d時TP去除率最高。

各系統在0.5～9 d的HRT下，對NH4+-N、TP去除率均存在轉折點，即存在最佳的水力停留時間。在一定范圍內，隨著水力停留時間的增加，NH4+-N及TP的去除率在提高，但到達某一階段后，NH4+-N及TP的去除率反而會隨著水力停留時間的延長而減小。

雖然對于某些基質來說，基質組合的裝填方式會降低某種污染物的去除率，但從宏觀上結合多個污染物指標來看，基質組合的裝填方式更有利于大多數污染物的去除，如本試驗中Ⅰ系統對NH4+-N及TP均表現出了較高的去除率，而裝置Ⅴ雖然對TP表現出很高的去除率，但單一的爐渣并不能滿足植物的生長要求，需要將其與其他基質混合使用，才能發揮出其實際意義。

參考文獻：

[1] 吳樹彪，董仁杰.人工濕地生態水污染控制理論與技術[M].北京：中國林業出版社，2016：2-3.

[2] 楊文海.城市生活污水凈化再用理論技術研究[D].保定：河北農業大學，2005.

[3] David RT， Mark TB. Wetland networks for stormwater management in subtropical urban watersheds[J]. Ecological Engineering， 1998， 10（2）： 131-158.

[4] Coveney MF， Stites DL， Lowe EF， et a1. Nutrient removal from eutrophic lake water by wetland flhration[J]. Ecological Engineering， 2002， 19（2）： 141-159.

[5] 張燕，龐南柱，蹇興超，等.3種人工濕地基質吸附污水中氨氮的性能與基質篩選研究[J]. 濕地科學，2012，10（1）：87-91.

[6] 馬世豪，何星海.《城鎮污水處理廠污染物排放標準》淺釋[J].給水排水，2003（9）：89-94，101.

[7] 鄒新.人工濕地處理小城鎮生活污水技術研究[D].南昌：南昌大學，2012.

[8] 徐麗，葛大兵，謝小魁.水力停留時間對人工濕地運行的影響[J].中國農學通報，2014，30（31）：219-223.

[9] Reddy KO， Connor G， Gale P. Phosphorus sorption capacities of wetland soils and stream sediments impacted by dairy effluent[J]. Journal of Environmental Quality， 1998， 27（2）： 4438-4473.

[10] 徐德福，李映雪，鄭建偉，等.基質對人工濕地污水蒸發量及凈化能力的影響[J].中國環境科學，2011，31（6）：927-932.

[11] Reddy KR， Patrick WH. Nitrogen transformations and loss in flooded soils and sediments[J]. Critical Reviews in Environmental Control， 1984， 13（4）： 273-309.

[12] 劉慎坦，王國芳，謝祥峰，等.不同基質對人工濕地脫氮效果和硝化及反硝化細菌分布的影響[J].東南大學學報（自然科學版），2011，41（2）：400-405.

[13] 劉洋.不同人工濕地基質除磷效率研究[J].安徽農業科學，2012，40（9）：5406-5408.

[14] Wu ZB， Ren， MX， Fu GP. The influence of hydraulic characteristics on wastewater purifying efficiency in vertical flow constructed wetlands[J]. Environmenta Science， 2001， 22（5）： 45-49.

[15] 王世和，王薇，俞燕.水力條件對人工濕地處理效果的影響[J].東南大學學報（自然科學版），2003，33（3）：359-362.

[16] Tanner CC. Substratum phosphorous accumulation duringmaturation of gravel-bed constructed wetlands[J]. WaterScience and Technology， 1999， 40（3）： 147-154.