緩釋碳源填料制備及其在人工濕地中的應(yīng)用效果

張瑞斌

（1.江蘇龍騰工程設(shè)計股份有限公司，南京 210014；2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術(shù)研究中心，南京 210014；3.南京市生態(tài)河道工程技術(shù)研究中心，南京 210014）

人工濕地多用于生化尾水、農(nóng)村生活污水等低污染水的深度處理[1]。低污染水C/N 比低，采用的深度脫氮工藝往往需外加碳源，常見的外加碳源包括液體碳源和固體碳源。液體碳源較為高效，但會增加人工濕地的治理成本并可能造成二次污染問題，因此不適用于人工濕地[1]。固體碳源常用的是天然纖維類物質(zhì)，如秸稈、玉米芯等，經(jīng)濟(jì)性好且具有緩釋性，但是存在緩釋速率不穩(wěn)定的問題。為使天然碳源更加適用于人工濕地，將天然玉米芯改性處理并與大孔物質(zhì)、結(jié)合材料等進(jìn)行復(fù)合，形成緩釋碳源填料。本研究以南京孫家邊農(nóng)村人工濕地為研究對象，通過應(yīng)用緩釋碳源，有效解決了人工濕地中微生物反硝化進(jìn)程中碳源不足的問題，提高了出水水質(zhì)。

1 緩釋碳源及填料的制備

緩釋碳源填料主要由滲透性較高的大孔物質(zhì)、結(jié)合材料、改性玉米芯和牡蠣殼粉混合制成，先將干料混合均勻后加水濕混至混料成色一致、均勻分散，定型脫模后在通風(fēng)陰涼處養(yǎng)護(hù)制得緩釋碳源填料，填料粒徑為10～30mm，其中改性玉米芯通過1%～2%體積濃度堿性雙氧水在90℃～100℃恒溫水浴2～3h改性制作而成。

玉米芯的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，通過改性處理破壞其木質(zhì)素保護(hù)層和改變纖維素的晶格結(jié)構(gòu)有利于促進(jìn)纖維素的酶解，提高纖維素的釋放速率，通過對改性條件的控制，可實(shí)現(xiàn)碳源高效穩(wěn)定釋放的目的。高效緩釋碳源改性玉米芯結(jié)構(gòu)松散、表面積增大且具有多孔性，粒徑為8～12mm，密度為0.3～0.6g/cm3。而與無機(jī)顆粒等交聯(lián)黏合制成的緩釋碳源填料，其比表面積為26.8～33.5m2/g、孔隙率為41.2%～45.3%、體積密度為1.12～1.33g/cm3，均優(yōu)于傳統(tǒng)填料，形狀更加規(guī)則，且填料具有碳源緩釋的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于低污染水人工濕地，可以解決濕地進(jìn)水C/N 比低的問題，有效提高人工濕地的反硝化效率，是一種適用于人工濕地的理想填料。

2 人工濕地中的應(yīng)用效果

2.1 人工濕地構(gòu)造

垂直流+水平潛流人工濕地系統(tǒng)，包括按水流方向依次設(shè)置的調(diào)節(jié)池、垂直流人工濕地與水平潛流人工濕地。其中調(diào)節(jié)池一方面可以穩(wěn)定水質(zhì)、水量，控制進(jìn)入人工濕地中的水量；另一方面針對部分尾水C/N 比低，無法為濕地中微生物硝化反硝化供能的問題，可通過向調(diào)節(jié)池中補(bǔ)充緩釋碳源提高C/N 比。

垂直流人工濕地采用下行式布水方式，污水自上而下流動，自下而上依次鋪設(shè)有碎石填料層、緩釋碳源填料層與鋁污泥填料層。垂直流人工濕地上部設(shè)有覆土層，種植深根叢生型植物，種植密度為25～30 株/m2。垂直流人工濕地底部出水進(jìn)入水平潛流人工濕地，自下而上依次鋪設(shè)有碎石填料層、緩釋碳源填料層與鋁污泥填料層，上部設(shè)有覆土層，種植有深根散生型植物，深根散生型植物的種植密度為35～45 株/m2。以垂直流人工濕地+水平潛流人工濕地為基礎(chǔ)，結(jié)合緩釋碳源填料、植物等，可有效解決人工濕地中微生物反硝化進(jìn)程中碳源不足、基質(zhì)對污染物吸附效果差的問題，緩解人工濕地基質(zhì)堵塞問題，強(qiáng)化脫氮除磷效果。

2.2 人工濕地中試試驗(yàn)

結(jié)合緩釋碳源在人工濕地中的應(yīng)用特點(diǎn)，在南京市江寧區(qū)孫家邊開展中試試驗(yàn)，利用垂直流+水平潛流人工濕地系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水（見圖1）。調(diào)節(jié)池接納生化處理后的農(nóng)村生活污水，在處理前調(diào)節(jié)水量、水質(zhì)。通過控制配水槽污水流入速度，保證垂直流人工濕地的表面水力負(fù)荷為0.682～0.953m3/m2·d。垂直流人工濕地碎石填料層中填料粒徑為40mm，鋪設(shè)高度為20cm；緩釋碳源填料層中填料的粒徑為20mm，鋪設(shè)高度為25cm；鋁污泥填料層中填料的粒徑為10mm，鋪設(shè)高度為20cm，孔隙率為0.33～0.52，垂直流人工濕地的長寬比為2：1，污水在垂直流人工濕地上的水力停留時間為12～24h。種植植物為蘆竹、黃花鳶尾，種植密度為25 株/m2（見圖2）。

圖1 孫家邊農(nóng)村人工濕地

圖2 垂直流和水平潛流人工濕地

調(diào)節(jié)配水渠流入水平潛流人工濕地的流速，保證水平潛流濕地的水力表面負(fù)荷為0.362～0.514m3/m2·d。碎石填料層中填料的粒徑為30mm，鋪設(shè)高度為15cm；緩釋碳源填料層中填料的粒徑為15mm，鋪設(shè)高度為25cm；鋁污泥填料層中填料的粒徑為5mm，鋪設(shè)高度為20cm，孔隙率為0.45%～0.68%，水平潛流人工濕地的長寬比為3：2，污水在水平潛流濕地表面的水力停留時間為18～30h。種植植物為香蒲、水蔥，種植密度為40 株/m2。

2.3 應(yīng)用效果

現(xiàn)有人工濕地技術(shù)對農(nóng)村生活污水中COD、NH3-N、TP的去除效率分別為55%～65%、60%～70%、70%～80%[2]。本中試試驗(yàn)的人工濕地進(jìn)水為經(jīng)生化處理后的農(nóng)村生活污水，進(jìn)水COD、NH3-N、TP 的均值分別為98.5mg/L、21.3mg/L、1.8mg/L，人工濕地穩(wěn)定運(yùn)行后出水COD、NH3-N、TP 的均值分別為15.6mg/L、2.8mg/L、0.15mg/L，對COD 的去除率為84.2%，對NH3-N 的去除率為86.9%，對TP 的去除率為91.7%，出水水質(zhì)達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

通過對進(jìn)、出水水質(zhì)的分析可以看出，中試試驗(yàn)的人工濕地COD、NH3-N、TP 的去除效率均高于現(xiàn)有農(nóng)村人工濕地技術(shù)，主要是因?yàn)閼?yīng)用了緩釋碳源填料[3]。由于農(nóng)村生活污水處理要求的提高，傳統(tǒng)的生化處理已不能滿足需求，但生化處理后出水具有C/N 比低、污染物濃度低、水質(zhì)水量波動性大等特點(diǎn)，導(dǎo)致其可生化性降低，采用二級生物處理效率較差。將緩釋碳源填料作為人工濕地基質(zhì)，緩釋碳源的比表面積、孔隙率和體積密度等均優(yōu)于市場填料，且具有穩(wěn)定釋放碳源的作用，可以補(bǔ)充濕地中微生物反硝化所需碳源，提高濕地中NH3-N 的去除效率。同時垂直流+水平潛流人工濕地的構(gòu)造，提升了污水與基質(zhì)、植物等的接觸時間與面積，加強(qiáng)了污水中污染物的整體去除效果。

3 結(jié)語

按水流方向依次設(shè)置調(diào)節(jié)池、垂直流人工濕地與水平潛流人工濕地系統(tǒng)，將緩釋碳源填料應(yīng)用于濕地中部，補(bǔ)充了微生物反硝化所需碳源，同時為微生物提供了更多的生長空間。通過人工濕地處理農(nóng)村生活污水的中試試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對COD 的去除率為84.2%、對NH3-N 的去除率為86.9%、對TP 的去除率為91.7%，對污水中污染物的整體去除效果顯著。人工濕地采用二級復(fù)合形式，通過緩釋碳源的應(yīng)用，有效解決了人工濕地中微生物反硝化進(jìn)程碳源不足、基質(zhì)對污染物吸附效果差的問題，緩解了人工濕地基質(zhì)堵塞問題，提高了出水水質(zhì)，有助于打造美麗新農(nóng)村。