潛流濕地填料的研究進(jìn)展

徐 坤，吳軼輝，何嘉輝，黃龍翔，黃海宇

(廣州市水之道生態(tài)環(huán)境修復(fù)有限公司，廣州市新之地環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司，廣東 廣州 510380)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的不斷加快，大量的生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)污水流入湖泊、河流等地表水體中，這些污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及污染物質(zhì)導(dǎo)致河流、湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化，易導(dǎo)致藻類爆發(fā)，破壞水生態(tài)系統(tǒng)，甚至還會(huì)威脅人類身體健康[1]。因此，要想保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就必須控制地表水體富營(yíng)養(yǎng)化氮磷超標(biāo)，消滅黑臭水體。

人工濕地作為一種較為生態(tài)的污水處理和水環(huán)境修復(fù)技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①污染物去除效率高；②單位噸水處理成本低，運(yùn)營(yíng)維護(hù)簡(jiǎn)單方便；③抗沖擊能力強(qiáng)，針對(duì)不同工況選擇不同結(jié)構(gòu)；④濕地植物不僅能凈化水質(zhì)，還能美化環(huán)境。正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，人工濕地技術(shù)已經(jīng)成為城鎮(zhèn)污水和農(nóng)村污水處理系統(tǒng)中重要組成部分，近年來(lái)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。人工濕地污水處理系統(tǒng)主要由濕地墻體，濕地填料，濕地植物等組成，濕地填料通過(guò)吸附截留污水污染物、濕地植物通過(guò)根系的吸收沉淀以及微生物和動(dòng)物的吸收降解等作用可以有效的去除污水中大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、重金屬、油脂及病原微生物等[2]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于潛流濕地處理污水的工藝研究比較多，國(guó)外專家及學(xué)者主要研究潛流濕地墻體及填料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，濕地內(nèi)水動(dòng)力及水質(zhì)模擬，濕地填料組合及配比、深度、孔隙率，濕地植物的選擇，污染物的去除效率及微生物的馴化，而國(guó)內(nèi)主要對(duì)流濕地墻體及填料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，濕地植物的選擇，去除污水中污染物的效率，填料的組成及配比方面進(jìn)行研究。潛流濕地只要通過(guò)濕地填料和濕地植物作用凈化水質(zhì)，濕地填料有著不可替代的作用，一方面，濕地填料在潛流濕地污水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中占最大體積[3]，另一方面，填料在濕地中為濕地植物的生長(zhǎng)提供扎根處，為微生物的附著提供載體，同時(shí)，填料本身可以吸收污水中氮磷等污染物，除此之外，填料自身的理化性質(zhì)對(duì)水體中污染物質(zhì)的去除和整個(gè)濕地系統(tǒng)的運(yùn)行都有一定的影響，填料的組成對(duì)污水有機(jī)負(fù)荷的大小，進(jìn)水水庫(kù)流速以及濕地系統(tǒng)的占地面積等因素有著較大的影響，因此，填料可以直接影響整個(gè)潛流濕地污水處理工藝的處理效果[4-5]。以下論文從潛流濕地污水處理系統(tǒng)填料的組合及配比，去除污染物的效率以及填料粒徑對(duì)污染物去除效率等方面展開綜述。

1 潛流濕地污水處理工藝中填料的組合及配比

對(duì)于潛流濕地而言，濕地填料的設(shè)計(jì)關(guān)乎到整個(gè)濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果，因此，填料的設(shè)計(jì)尤為重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)項(xiàng)目所在地的不同情況，設(shè)計(jì)不同的填料類型，這取決于不同地方的水質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)入濕地系統(tǒng)的污水的理化性質(zhì)，項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件和土壤類型以及填料的生產(chǎn)產(chǎn)地等各個(gè)因素。在選擇填料的過(guò)程中，我們應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn)：(1)填料的水力滲透系數(shù)；(2)對(duì)污染物的去除效果；(3)填料的產(chǎn)地及運(yùn)輸。目前，潛流濕地污水處理工藝中常見的填料主要分為以下三大類：天然礦物、工業(yè)副產(chǎn)物以及人工合成填料。表1是國(guó)內(nèi)外經(jīng)過(guò)研究后推薦在潛流濕地污水處理工藝中推薦使用的填料[6]。

表1 潛流濕地污水處理工藝填料種類

在潛流濕地剛剛投入使用的時(shí)候，考慮到植物種植的問(wèn)題，濕地填料大多選用滲透率較高的天然土壤，例如壤土(最小吸水率為13mm/h)、砂質(zhì)壤土(最小吸水率為25mm/h)、壤質(zhì)砂土(最小吸水率為51mm/h)等，且當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的是單一的填料形式[7]，但是這種填料形式在使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)有很大的弊端，既達(dá)不到對(duì)單一污染物的去除要求，又不能對(duì)多種不同的污染物同時(shí)發(fā)揮作用，而且由于天壤土壤粒徑較小，孔隙率達(dá)不到規(guī)范要求，經(jīng)常會(huì)發(fā)生濕地堵塞無(wú)法運(yùn)行的現(xiàn)象。因此，根據(jù)具體項(xiàng)目的進(jìn)水污水的性質(zhì)特點(diǎn)以及污染物的種類及含量，專家提出針對(duì)性的對(duì)不同污染物的種類及含量進(jìn)行分析配比，通過(guò)配比組合出一種復(fù)合式填料，這種除了發(fā)揮各自對(duì)污染物的去除能力之外，還能通過(guò)各個(gè)填料之間的協(xié)同作用，從而達(dá)到更好水質(zhì)效果。研究表明[2]：利用廢磚塊和廢陶配比而成的混合填料體系和傳統(tǒng)的填料形式相比，對(duì)COD的作用較為明顯；利用沸石和石灰石配比而成的混合填料體系對(duì)總氮、總磷的去除效果均優(yōu)于單一的填料形式，在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，石灰石在潛流濕地系統(tǒng)中存在不利于微生物的生長(zhǎng)，但是與沸石配比后，沸石起吸附氨氮作用，石灰石有利于促進(jìn)硝化作用，這兩種填料的配比后，發(fā)生協(xié)同作用，對(duì)總氮的去除效果較好。目前，對(duì)于潛流濕地填料應(yīng)用上沒(méi)有統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的配比規(guī)范及用法，在設(shè)計(jì)過(guò)程中只能按照之前的案例及經(jīng)驗(yàn)判斷使用填料的種類及配比，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，推薦使用以土壤基質(zhì)為基底，增加沸石，碎石，石灰石，礫石，陶粒等孔隙率符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，滲透系數(shù)較好，性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)污染物的去除能力較強(qiáng)且常見的幾種填料相互配比，形成新的復(fù)合填料形式。表2為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些案例及研究經(jīng)驗(yàn)推薦使用的填料組成及配比。

表2 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些案例及研究經(jīng)驗(yàn)推薦使用的填料組成及配比

2 潛流濕地污水處理工藝中填料對(duì)去除污染物效率的影響

因此，填料的類型，理化性質(zhì)、搭配方式及配比都會(huì)對(duì)濕地系統(tǒng)中的污染物去除效果產(chǎn)生顯著的影響。

3 潛流濕地處理工藝中填料粒徑對(duì)污染物去除效率的影響

填料的滲透系數(shù)是指在潛流濕地處理系統(tǒng)中，單位時(shí)間內(nèi)水在介質(zhì)中運(yùn)行的距離，是濕地污水處理系統(tǒng)中滲透性能的影響因素之一，整個(gè)濕地系統(tǒng)的滲透性對(duì)污水處理系統(tǒng)的水文效應(yīng)和去除污染物的能力有較大影響。 研究表明：潛流濕地中填料的粒徑直接影響到水力的傳導(dǎo)性能和孔隙率的大小，進(jìn)而直接影響整個(gè)濕地的水力停留時(shí)間(HRT)以及對(duì)污染物的去除效率。

對(duì)于濕地填料而言，在濕地中除自身對(duì)水質(zhì)凈化起作用外，還需要為微生物的附著提供載體，所以，需要選擇孔隙率和比表面積較大的填料介質(zhì)從而增加微生物的附著面積，增加微生物的附著面積，進(jìn)而提高濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效率。在濕地運(yùn)行的過(guò)程中，微生物不斷在填料上附著，填料間就會(huì)生成許多微小的不溶物質(zhì)，易造成濕地堵塞，導(dǎo)致濕地發(fā)生雍水狀況，在填料設(shè)計(jì)過(guò)程中，這也是不可忽視的一個(gè)因素。

綜上所述，濕地系統(tǒng)的填料粒徑越小，各系統(tǒng)對(duì)污染物的處理效果越好，但隨著粒徑的減小，系統(tǒng)水頭損失變大，容易發(fā)生堵塞[11]。合理的填料粒徑可以保證濕地的正常運(yùn)行以及運(yùn)行效果，趙文喜等研究表明[12]：礫石填料的常用尺寸為3～6、5～10、6～12mm，當(dāng)潛流濕地的上、下行流分別設(shè)置0～4mm(300mm厚)、4～8mm(100厚)、4～8mm(500mm厚)、8～16mm(350mm厚)的碎石填料時(shí)，可以有效防止?jié)摿鳚竦匕l(fā)生堵塞問(wèn)題，同時(shí)也能保證濕地的去污效果。

4 總結(jié)與建議

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于填料的研究主要需要從三個(gè)方面進(jìn)行：

(1)研究填料本身及填料間對(duì)于污水污染物的去除效果，特別對(duì)于單一填料的特異性功能及各填料間的協(xié)同作用對(duì)于污染物的影響，優(yōu)化不同填料間的組合和配比。

(2)對(duì)具體的填料通過(guò)物理、化學(xué)和生物的方式進(jìn)行改造，目的是通過(guò)人工的方式增加填料本身的吸附能力，增大填料的比表面積以及孔隙率等，使其在去除污水污染過(guò)程中發(fā)揮更好的作用。

(3)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)具體的地質(zhì)條件、污水的理化性質(zhì)、水流方式進(jìn)行具體的分層設(shè)計(jì)，在濕地進(jìn)水端和集水端設(shè)計(jì)粒徑較大的填料，主要處理區(qū)設(shè)計(jì)有利于污染物去除的填料，亦可以上下分層，多層填料設(shè)計(jì)有利于控制濕地填料的滲透系數(shù)，降低濕地堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，增加濕地的去污效果。