基于多孔陶粒的微濕地裝置設計及性能研究

孫珊珊　李瑤　趙夢園　殷政　孫蘇豫

摘? 要：文章針對城市生活污水治理問題，設計一種具有污水處理和環境欣賞雙重功能的微濕地裝置，并研究裝置凈化污水的效果。實驗結果表明，微濕地裝置對含重金屬銅離子和氨氮的污水具有良好的凈化效果，運行七天的去除率分別可以達到82.88%和62.98%。

關鍵詞：微濕地裝置;設計;性能

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）17-0045-02

Abstract： In this paper， aiming at the problem of urban domestic sewage treatment， a micro-wetland device with dual functions of sewage treatment and environmental appreciation is designed， and the effect of sewage purification is studied. The experimental results show that the micro-wetland device has a good purification effect on the sewage containing heavy metal copper ions and ammonia nitrogen， and the removal rates can reach 82.88% and 62.98% respectively after seven days of operation.

Keywords： micro-wetland device; design; performance

隨著我國城鎮化的快速發展，城市生活污水排放量逐年增加，水環境惡化形勢嚴峻，也直接或間接威脅人類本身，嚴重影響人們健康生活。近年來，針對水污染日益嚴重的現狀，政府逐步加大了對水污染的治理力度，積極推進污水處理設施建設和污水處理技術研究。污水治理技術種類繁多，但是化學藥品的使用會產生二次污染，而單一水生植物凈化污水的周期較長、效率較低、管理復雜。人工濕地處理技術是一個新興的污水處理工藝，具有建設投資少、運行能耗低、凈化效果好、利于生態恢復等優點，同時，起凈化作用的水生植物還可作為觀賞美化植物。本文借鑒人工濕地處理技術的工作原理，構建一種兼備污水處理和環境欣賞的微濕地生態系統裝置，并進行裝置處理污水的應用實驗研究。

1 設計依據

人工濕地的概念是德國學者Seidel于1966年構建蘆葦濕地處理生活污水時首次提出的，主要由水體、基質、水生植物、微生物等部分組成。其中，水生植物和基質是人工濕地最基本的構成要素，濕地的凈化功能一般依靠系統中物理、化學和生物的三重協同作用來完成。

陶粒因具有較大比表面積、豐富孔隙結構及較低重金屬浸出毒性等特點，已被國內外廣泛應用于污水處理中，可以作為人工濕地的基質。硅藻土作為一種天然礦物，其微孔結構的直徑主要分布在100～300nm、邊緣孔徑為30～80nm、孔隙率達80～90%，能吸收其本身質量1.5～4倍的水，可以作為燒制陶粒的基礎材料。

水生植物通過直接吸收、微生物轉化、物理吸附和沉降等作用可以分解、吸收水體中氮、磷、有機物和重金屬等污染物質。氮、磷被吸收后用以合成植物自身的物質，供其生長代謝，而一些重金屬和有機物被儲存于植物體內或在植物體內被降解。研究表明，綠蘿有著較好的過濾體系和較強凈化能力，可以吸收富集污水中無機物、有機物和重金屬等污染物質。

污水進入微濕地裝置，在微型人工濕地中硅藻土基多孔陶粒、水生植物綠蘿和微生物的協同作用下，污染物質被吸附分解，從而得到清水。

2 微濕地裝置的設計

2.1 多孔陶粒的制備

用硅藻土為主要原料，并添加一定量的成孔劑、助熔劑、粘合劑，經手工成球、陳化、干燥、焙燒制備出硅藻土基多孔陶粒。（1）原料試劑。a.成孔劑。選擇碳酸鈉為成孔劑。b.助熔劑。選擇碳酸鎂、碳酸鈣為助熔劑。c.粘合劑。選擇粘土、硅酸鈉為粘合劑。（2）工藝流程。將硅藻土過100目篩，105℃烘干2h備用。按一定配比加入不同成孔劑和助熔劑，經10min以上研磨混料后，加粘合劑攪拌均勻，手工捏制成3-6mm的球狀，用保鮮膜包覆陳化24h后，放入烘箱105℃干燥2h;干燥后的料球，移入馬弗爐中進行焙燒;到達焙燒溫度和保溫時間后，關閉箱式智能電阻爐的電源，自然冷卻至室溫，即得到多孔陶粒成品。

2.2 整體結構的設計

微濕地裝置由微濕地凈化反應單元和智能水位監控單元兩個部分組成。其中，微濕地凈化反應單元包括進水池、過濾池、凈化池、處理池和接水池等;智能水位監控單元包括ST89C52型單片機、壓力傳感器、數模轉換器、液晶顯示器和水泵等。微濕地凈化反應單元凈化池中可以放置多孔陶粒，可以吸附污水中重金屬、氨氮、磷等物質，并緩慢釋放給水生植物和微生物;智能水位監控單元可以實時監測凈化池的水位高度，并進行智能進水。具體如圖1所示。

3 微濕地裝置的性能實驗

城市辦公場所水體中污染物質種類較少、含量較低，重金屬銅離子主要來源于輸水管道和閥門，氨氮主要來源于洗滌用品的使用。考慮到微濕地裝置的實際應用情況，其性能實驗主要考察對城市辦公場所中低濃度的含重金屬銅離子和含氨氮污水的凈化處理效果。

3.1 實驗材料

為了避免實際污水其他成分對實驗結果的影響，實驗采用模擬廢水。用CuSO4配制1.0mg/L的銅離子標準溶液;用NH4Cl配制0.1mg/L的氨氮標準溶液。

3.2 實驗儀器

UV-1240型紫外分光光度計、SQ-CN208A型氨氮測定儀。

3.3 實驗方法

（1）裝置對銅離子凈化實驗。以1.0mg/L的銅離子標準溶液為原水，進入裝置，達到合理高度，停留24h后，開啟“自動注水”功能，裝置外的原水通過水泵進入裝置，促使水體通過池體之間的圓形連通孔流動，模擬人工濕地的表面流、垂直潛流過程，進而在裝置內的接水池中得到清水。取出清水后用0.45um濾膜過濾，然后用UV-1240型紫外分光光度計測量濾液最大波長處的吸光度（銅離子的λmax=546nm）。根據朗伯比爾定律，最大波長處的吸光度與濃度存在線性關系，再依據公式（1）計算出對應的銅離子去除率η。裝置一共運行7天。

η=[（D0-Dt）/D0]? ? ? ? （1）

式中，為銅離子的去除率，D0為原水吸光度，Dt為凈化后濾液吸光度。

（2）裝置對氨氮凈化實驗。以0.1mg/L的氨氮標準溶液為原水，進入裝置，達到合理高度，停留24h后，開啟“自動注水”功能，裝置外的原水通過水泵進入裝置，促使水體通過池體之間的圓形連通孔流動，模擬人工濕地的表面流、垂直潛流過程，進而在裝置內的接水池中得到清水。取出清水后離心，然后用SQ-CN208A型氨氮測定儀測定上清液中的氨氮含量。裝置一共運行7天。

3.4 結果與分析

（1）裝置對銅離子凈化效果。不同時間裝置對銅離子的去除率如圖2所示。微濕地裝置第1天對原水中銅離子的去除率就達到58.02%，運行了一段時間后，原水中的銅離子去除率逐漸增加并趨于平緩，第7天去除率為82.88%。隨著裝置中多孔陶粒對銅離子吸附量的增加，金屬離子之間產生的斥力增強，銅離子進入多孔陶粒微孔的阻力增大，同時，水生植物富集銅離子能力有限，所以去除率逐漸增加后趨于平緩。結果表明，微濕地裝置對于銅離子有著良好的凈化效果。

（2）裝置對氨氮凈化效果。不同時間裝置對氨氮的去除率如圖3所示。微濕地裝置第1天對原水中氨氮的去除率僅為0.22%，運行了一段時間后，原水中的氨氮才明顯降低，第7天去除率達到62.98%。另外，去除率出現起伏現象，可能由于原水中的有機氮在好氧的條件下水解為氨氮，反而增加了水體中氨氮量。結果表明，微濕地裝置對于氨氮有著良好的凈化效果。

4 結論

微濕地生態系統是改善人類生存環境的一種新型模式。借鑒其工作原理，設計的微濕地裝置對含重金屬銅離子和氨氮的污水具有良好的凈化效果，運行七天的去除率分別可以達到82.88%和62.98%。城市中眾多單位辦公場所產生的大量低污染程度污水使用裝置進行有效處理后再排放，既可以提高城市生活污水處理效率，又可以利用微濕地中水生植物吸附污染物，從而實現了“凈化污水、美化環境、簡化管理”的功能。

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