緩釋碳源填料制備及其在人工濕地中的應用效果

張瑞斌

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

人工濕地多用于生化尾水、農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，如秸稈、玉米芯等，經濟性好且具有緩釋性，但是存在緩釋速率不穩定的問題。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、結合材料等進行復合，形成緩釋碳源填料。本研究以南京孫家邊農村人工濕地為研究對象，通過應用緩釋碳源，有效解決了人工濕地中微生物反硝化進程中碳源不足的問題，提高了出水水質。

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、結合材料、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，定型脫模后在通風陰涼處養護制得緩釋碳源填料，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、半纖維素和木質素，通過改性處理破壞其木質素保護層和改變纖維素的晶格結構有利于促進纖維素的酶解，提高纖維素的釋放速率，通過對改性條件的控制，可實現碳源高效穩定釋放的目的。高效緩釋碳源改性玉米芯結構松散、表面積增大且具有多孔性，粒徑為8～12mm，密度為0.3～0.6g/cm3。而與無機顆粒等交聯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，均優于傳統填料，形狀更加規則，且填料具有碳源緩釋的優點，將其應用于低污染水人工濕地，可以解決濕地進水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 人工濕地中的應用效果

2.1 人工濕地構造

垂直流+水平潛流人工濕地系統，包括按水流方向依次設置的調節池、垂直流人工濕地與水平潛流人工濕地。其中調節池一方面可以穩定水質、水量，控制進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，可通過向調節池中補充緩釋碳源提高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入水平潛流人工濕地，自下而上依次鋪設有碎石填料層、緩釋碳源填料層與鋁污泥填料層，上部設有覆土層，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，結合緩釋碳源填料、植物等，可有效解決人工濕地中微生物反硝化進程中碳源不足、基質對污染物吸附效果差的問題，緩解人工濕地基質堵塞問題，強化脫氮除磷效果。

2.2 人工濕地中試試驗

結合緩釋碳源在人工濕地中的應用特點，在南京市江寧區孫家邊開展中試試驗，利用垂直流+水平潛流人工濕地系統處理農村生活污水（見圖1）。調節池接納生化處理后的農村生活污水，在處理前調節水量、水質。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，鋪設高度為20cm；緩釋碳源填料層中填料的粒徑為20mm，鋪設高度為25cm；鋁污泥填料層中填料的粒徑為10mm，鋪設高度為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 孫家邊農村人工濕地

圖2 垂直流和水平潛流人工濕地

調節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荷為0.362～0.514m3/m2·d。碎石填料層中填料的粒徑為30mm，鋪設高度為15cm；緩釋碳源填料層中填料的粒徑為15mm，鋪設高度為25cm；鋁污泥填料層中填料的粒徑為5mm，鋪設高度為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 應用效果

現有人工濕地技術對農村生活污水中COD、NH3-N、TP的去除效率分別為55%～65%、60%～70%、70%～80%[2]。本中試試驗的人工濕地進水為經生化處理后的農村生活污水，進水COD、NH3-N、TP 的均值分別為98.5mg/L、21.3mg/L、1.8mg/L，人工濕地穩定運行后出水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%，出水水質達到準Ⅳ類水質標準。

通過對進、出水水質的分析可以看出，中試試驗的人工濕地COD、NH3-N、TP 的去除效率均高于現有農村人工濕地技術，主要是因為應用了緩釋碳源填料[3]。由于農村生活污水處理要求的提高，傳統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、水質水量波動性大等特點，導致其可生化性降低，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，緩釋碳源的比表面積、孔隙率和體積密度等均優于市場填料，且具有穩定釋放碳源的作用，可以補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造，提升了污水與基質、植物等的接觸時間與面積，加強了污水中污染物的整體去除效果。

3 結語

按水流方向依次設置調節池、垂直流人工濕地與水平潛流人工濕地系統，將緩釋碳源填料應用于濕地中部，補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村生活污水的中試試驗，實現了對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合形式，通過緩釋碳源的應用，有效解決了人工濕地中微生物反硝化進程碳源不足、基質對污染物吸附效果差的問題，緩解了人工濕地基質堵塞問題，提高了出水水質，有助于打造美麗新農村。