污染負荷對生物炭人工濕地凈化效果的影響

高海威， 李 雙， 徐立榮， 徐祥熙， 王榮震， 徐 晶

(1. 濟南大學水利與環境學院， 山東濟南 250022； 2. 濟南市水利工程服務中心錦繡川水庫服務處， 山東濟南 250112)

為了解決日益嚴重的農村生活污水污染問題， 我國自20世紀80年代就開始針對農村生活污水的處理開發和研制了許多技術， 包含厭氧沼氣池處理技術、 穩定塘處理技術、 人工濕地處理技術等[1]。 在這些方法中， 人工濕地是一種耗資少、 易管理、 處理水質效率高、 生態環境友好型的水質處理系統[2]； 但是， 傳統人工濕地的抗污染負荷能力較差， 污染物去除效率較低， 因此需要研究一類性能更優的人工濕地[3]。

生物炭是由生物質在缺氧或無氧的密閉環境中經一定溫度熱解得到的富含碳的難溶性固體物質[4]，具有孔隙分布合理、比表面積大、吸附能力強的特點[5]，并且理化性質穩定，制備方便，對各類污染物均具有很強的吸附性，在土壤治理、氣候調節和廢水處理方面得到廣泛應用[6]。大量研究表明，生物炭人工濕地對污水的凈化有著明顯的效果[7-9]，其中潛流濕地的污水處理效果受氣候、季節的影響較小，如果在運行過程中管理得當，還可以有效防止蚊蠅滋生和臭味產生，是目前國內外較常采用的一種人工濕地類型[10-12]。目前研究表明，生物炭對人工濕地中無機物的去除具有明顯的效果，如脫氮主要途徑是硝化-反硝化[13]，生物炭可以增強人工濕地的脫氮性能[14-15]。另有研究[16-18]表明，生物炭可以提高無機磷的吸附能力。目前，針對生物炭人工濕地特別是中試尺度生物炭人工濕地的實驗研究尚不多見，本文中基于潛流人工濕地中試實驗，探討不同污染負荷條件下生物炭潛流人工濕地對污染物的凈化效果。

1 材料與方法

1.1 生物炭潛流人工濕地實驗場的構建

6組中試人工濕地均由磚、混凝土壘砌而成，外徑長寬比為3∶1，其中長度為5.1 m，寬度為1.7 m，高度為0.8 m，墻體厚度為0.15 m，在池子底部及四周均進行防水處理。人工濕地的基質為陶粒、沸石、瓜子石、生物炭。除生物炭外，基質按照各組分的粒徑大小進行排列，從上向下依次為粒徑小于0.4 cm的瓜子石、0.4～0.8 cm的陶粒、0.8～1.6 cm的沸石、3 cm的陶粒。為了研究不同生物炭類型、生物炭不同投放位置以及生物炭不同投放量對人工濕地處理農村生活污水的凈化效果，分別采用椰殼生物炭和果殼生物炭，生物炭投放位置如表1所示。

生物炭投放量均按生物炭與每層其他基質的體積比為1∶1投放至各層，其中C、 C1組生物炭的投放量是其他4組的2倍，每層基質厚度均為15 cm。植物選擇統一種植黃菖蒲，種植密度為每平方米25 株。基質具體鋪設構造如圖1所示。

表1 人工濕地基質生物炭類型及其添加位置

1.2 實驗方案

綜合考慮水力條件對人工濕地污染物去除的影響，本研究設定水力停留時間為36～48 h，水力負荷為10 cm/d的水力條件[19]。通過改變進水中各種污染物濃度，根據《人工濕地污水處理工程技術規范》(HJ 2005—2010)要求(見表2)，結合農村生活污水中碳與氮的質量比(簡稱碳氮比)較低的現狀，設置碳氮比約為3∶1，以模擬農村生活污水，設置高、中、低3個不同污染物濃度等級來確定濕地可承受的污染負荷，具體參數見表3。實驗進水采用人工配水的方式模擬生活污水中的總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)的濃度，通過控制進、出水口流量使之達到設定的水力條件，穩定運行一個實驗周期(36 h)后，在各濕地出水口取100 mL出水水樣，并立刻放入4 ℃保溫箱，以備檢測各污染物濃度。每種污染負荷實驗重復3次，取平均值。為了減小實驗誤差，每次取樣后都將人工濕地內的水排空，以減少原有水的影響。

1.3 數據分析方法

利用Excel軟件分析人工濕地中各類污染物去除率隨污染負荷的變化情況；利用Origin軟件繪制各污染物進、 出水水質與去除效率的柱狀圖。

2 結果與分析

2.1 不同污染負荷下生物炭人工濕地進出水水質

各組人工濕地的進、出水中TN、 NH3-N、 TP、 COD的濃度如圖2所示。在水力停留時間為36～48 h、 水力負荷為10 cm/d的條件下進水，以《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》(DB 37/3693—2019)中的指標(見表4)為限值，對進、出水水質進行分析。

(a)生物炭添加在小粒徑陶粒層

(b)生物炭添加在沸石層

(c)生物炭添加在小粒徑陶粒層及沸石層圖1 生物炭人工濕地基質構造示意圖

表2 人工濕地進水水質要求

表3 人工濕地進水污染物濃度

(a)總磷(TP)(b)總氮(TN)(c)氨氮(NH3-N)(d)化學需氧量(COD)圖2 不同濕地進、出水中的污染物濃度

表4 農村生活污水排放標準

從圖2中可以看出：當生物炭人工濕地進水污染負荷為低等級時，各組濕地出水水質都達到一級標準，TN、 NH3-N、 TP、 COD這4類污染物去除效果良好。當進水污染負荷增加到中等級時，各組濕地中的出水污染物濃度也隨之增加，各組濕地的出水水質中除NH3-N外均達到一級標準。對各組情況進行對比可知，在C1濕地中，出水水質仍然可以達到一級標準，其余5組濕地的出水中NH3-N質量濃度為8～15 mg/L，達到二級標準。當人工濕地進水污染負荷增加到高等級時，所有實驗組中TN的質量濃度均大于20 mg/L，NH3-N的質量濃度均大于15 mg/L，未達到排放要求； B、 C、 C1濕地的出水中TP濃度可以達到排放一級標準，A、 A1、 B1濕地出水的TP質量濃度均大于1.5 mg/L，未達到排放一級標準；A1、 B1濕地的出水中COD質量濃度已經超過60 mg/L，不滿足農村生活污水排放的一級標準，其他4組排放達標。綜上所述，生物炭人工濕地對低等級污染負荷到中等級污染負荷的水質變化有較好的應對能力。

2.2 不同污染負荷下生物炭人工濕地去除效率

2.2.1 對COD的去除效率

各組人工濕地在不同污染負荷下對COD的去除率如圖3所示。由圖可知，隨著污染負荷的增加，污染物的去除率逐步降低。在污染負荷為低等級的情況下，各組人工濕地的COD去除率接近甚至超過90%，較低的為A、 A1組，分別為89.2%、 88.6%，最高的為C1組，達到94.1%；當污染負荷達到中等級時，各組濕地的COD去除率明顯降低，降到了90%以下，最高的為C1組，達到88.3%，而A組的降低為79.1%，其他組的均在80%以上；當污染負荷增大到高等級時，各組濕地COD去除率持續降低，最高的為C組，達到81.6%，最低的為B1組，為67.7%，比低等級污染負荷時的降低了24.6%。通過對比發現，隨著污染負荷增加，各組人工濕地對COD去除率的差距也在變大，表明濕地基質構造影響COD的去除，且對于污染物的抗負荷能力也不同。本文中對COD污染有較好抗負荷能力的為C組，從低等級污染負荷到高等級污染負荷，去除率僅降低11.8%，說明生物炭的用量對人工濕地對COD抗負荷能力有一定的影響，增加生物炭用量可以適當提高人工濕地對COD的凈化效果。

圖3 不同污染負荷下生物炭 人工濕地對化學需氧量(COD)的去除率

2.2.2 對TN的去除效率

各組人工濕地在不同污染負荷下對TN的去除率如圖4所示。由圖可知，隨著污染負荷的增加，TN的去除率逐步降低。在低等級污染負荷時各組的TN去除率均超過80%，B、 B1組的去除率較低， 分別為83.5%、 84.7%， C、 C1組的分別達到92.1%、 92.5%；當污染負荷增大達到中等級時，C、 C1組的TN去除率分別為82.7%、 80.7%，其余各

圖4 不同污染負荷下生物炭 人工濕地對總氮(TN)的去除率

組的為70%～80%；當污染負荷增大到高等級時，僅C1組的達到70%以上，為76.3%，最低的為B1組，為64.2%。通過對比發現，C、 C1組濕地對TN的去除效果明顯優于其他4組的，表明生物炭的應用有利于人工濕地對TN的去除。當污染負荷增加時，生物炭的類型和添加位置不同的各組人工濕地對TN去除率的差距逐漸減小。

2.2.3 對NH3-N的去除效率

各組人工濕地在不同污染負荷下對NH3-N的去除率如圖5所示。由圖可知，隨著污染負荷的增加，其污染物的去除率在逐步下降。NH3-N去除表現與TN去除表現相似，在低等級污染負荷時各組人工濕地的去除率均超過85%，A1、 C、 C1組的去除率分別達到91.4%、 95.5%、 94.2%；當污染負荷增大達到中等級時，C、 C1組的NH3-N去除率均超過80%，分別達到87.7%、 83.2%，B組的最低，為73.5%，A1組的下降幅度最大，超過15%；當污染負荷增大到高等級時，C、 C1組的NH3-N去除率分別為74.1%、79.1%，B1組的最低，為65.4%。通過對比發現，與TN去除效果相似，即無論污染負荷是否改變，C、 C1組對NH3-N去除效果明顯優于其他4組的，表明生物炭添加量的增加有利于NH3-N的去除， 同時進水污染負荷越高，去除效果越差。

圖5 不同污染負荷下生物炭 人工濕地對氨氮(NH3-N)的去除率

2.2.4 對TP的去除效率

各組人工濕地在不同污染負荷下對TP的去除率如圖6所示。由圖可知，隨著污染負荷的增加，各組人工濕地對TP的去除率逐漸降低。在低等級污染負荷時各組的TP去除率超過80%，A1組的最低，為85.6%，C1組的最高，達到94.1%；當污染負荷增大達到中等級時，各組的TP去除率降幅在10%左右，C1組的去除率依然最高，為86.4%，A組的最低為79.2%；當污染負荷增大到高等級時，各組的TP去除率持續降低，但是下降并不明顯，僅B1組的下降到75%以下，為73.5%。上述結果表明，各組生物炭人工濕地對TP的污染有較好的抗負荷能力，在高負荷的情況下仍可以保持較高的去除率。無論污染負荷是否改變，C、 C1組對TP的去除效果明顯優于其他4組的，表明生物炭添加量的增加有利于TP的去除，且在中低污染負荷情況下，沸石層添加的生物炭對TP的去除效果更好。

圖6 不同污染負荷下生物炭人工濕地對總磷(TP)的去除率

3 結論

在水力停留時間為36～48 h、 水力負荷為10 cm/d的水力條件下， 設計并實施了3組不同污染負荷條件下的中試實驗，分析了污染負荷變化對生物炭人工濕地凈化效果的影響，主要結論如下：

1)生物炭人工濕地對于農村生活污水中TN、 NH3-N、 TP、 COD的去除率隨著進水污染負荷的增大而降低。進水污染負荷較低時，各組人工濕地對污染物均具有很好的去除效果，去除率都在80%以上，大部分達到了90%。當進水污染負荷處于高等級，各組對污染物的去除率總體維持在70%以上，少部分低于70%但保持在60%以上，對污染物具有良好的去除效果。

2)對于TN、 NH3-N這2類污染物來說，生物炭添加量的增加有利于污染物的去除，且隨著污染負荷的增加，生物炭添加位置對TN、 NH3-N凈化效果的影響不大；對于COD，各組濕地對COD的去除效果差別隨著污染負荷增加而增大，表明生物炭有助于加強人工濕地對COD的抗負荷能力；對于TP，污染負荷增加時，生物炭添加量和添加位置對TP的去除效果的影響減弱，去除率普遍較高，且對TP具有較好的抗負荷能力。

3)在低污染負荷和中污染負荷的情況下，各組生物炭人工濕地對于4類污染物均具有較高的去除率，出水水質可以達到《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》(DB 37/3693—2019)中的一級標準，因此為保證污染物的去除效果，建議生物炭人工濕地的進水污染負荷不宜過高，特別是對于TN、 NH3-N污染物，其進水質量濃度分別不宜超過85、 82 mg/L。