人工濕地系統(tǒng)配料對(duì)生活污水處理效果探究

摘要：文章通過(guò)7組對(duì)比試驗(yàn)，探究了不同配料比例下人工濕地系統(tǒng)對(duì)城鎮(zhèn)生活污水中的NH4+-N、CODcr、TP、TN、NO3--N的去除效果，其中粉煤灰填料對(duì)COD、NH4+-N等具有良好的去除效果，空心磚填料對(duì)污水中的TP成分具有比較顯著的去除效果。

關(guān)鍵詞：人工濕地；城鎮(zhèn)生活污水；NH4+-N；CODcr；TP；NO3--N；TN 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X131 文章編號(hào)：1009-2374（2017）02-0082-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.039

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)城市化步伐加快，農(nóng)村人口急劇向城鎮(zhèn)涌入，城鎮(zhèn)人口增加促進(jìn)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展的同時(shí)所引發(fā)的一系列環(huán)境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重，城鎮(zhèn)生活污水是導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化的一個(gè)重要原因?；谌斯竦鼐哂懈咝实奶幚砦鬯芰?，對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的降解能力，能有效去除污水中的N、P，同時(shí)投資運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低，逐漸受到社會(huì)的關(guān)注。針對(duì)不同生活地區(qū)的污水水質(zhì)，研究填料的性能、去污機(jī)理，對(duì)不同水質(zhì)的城鎮(zhèn)生活污水設(shè)計(jì)應(yīng)用不同的配料方案，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 人工濕地系統(tǒng)概述

1.1 相關(guān)概念

人工濕地類似于沼澤環(huán)境，通過(guò)人工建造和監(jiān)督控制內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)，利用這個(gè)微小濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的生化反應(yīng)來(lái)進(jìn)行廢水的處理。按污水的流動(dòng)方式，可以將人工濕地系統(tǒng)分成地表流濕地、潛流濕地和垂直流濕地三種。地表流濕地即該系統(tǒng)主要在地表，污水水位多在0.1～0.6m，較淺，主要在濕地系統(tǒng)淺表層流動(dòng)。潛流濕地系統(tǒng)主要位于系統(tǒng)的中部，該部位具有豐富的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料，為處理污水中氮、磷的主要吸收部位。垂直流濕地系統(tǒng)中污水的流動(dòng)含水比較復(fù)雜，兼?zhèn)涞乇砹鳚竦睾蜐摿鳚竦叵到y(tǒng)的吸附特點(diǎn)。污水通過(guò)填料床在濕地系統(tǒng)中由上向下的垂直流動(dòng)，水流觸底后被鋪設(shè)在出水端底部的集水管收集起來(lái)，并經(jīng)由排出系統(tǒng)處理。

1.2 人工濕地對(duì)氮的去除機(jī)理

在濕地系統(tǒng)中，微生物主要通過(guò)硝化和反硝化作用去除氮元素，同時(shí)由于填料作為微生物的生存載體而對(duì)氮的去除起著重要的作用。對(duì)于微生物而言，比表面積越大的填料生物膜的生長(zhǎng)越快，比表面積是決定填料有效性的關(guān)鍵，越大的比表面的填料對(duì)氮的去除效果越好。濕地填料的理化環(huán)境對(duì)污水的除氮效果有著重要影響，主要通過(guò)氧化還原電位環(huán)境來(lái)反映，這種氧化還原電位環(huán)境還會(huì)進(jìn)一步影響植物或微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程，來(lái)間接控制濕地的除氮效率。試驗(yàn)表明，濕地填料的含水率對(duì)系統(tǒng)的除氮效率影響較大，當(dāng)土壤水分含量超過(guò)正常田間的持水量的60%時(shí)，反硝化作用隨著土壤含水率增加而增強(qiáng)，當(dāng)土壤達(dá)到飽水狀態(tài)時(shí)反硝化作用最強(qiáng)。

1.3 人工濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除機(jī)理

人工濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除主要是通過(guò)填料實(shí)現(xiàn)，通過(guò)系統(tǒng)中填料的吸收和過(guò)濾等物理化學(xué)作用完成。當(dāng)生活污水流經(jīng)人工濕地系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的填料通過(guò)物理吸收、吸附以及化學(xué)離子交換、絡(luò)和反應(yīng)等來(lái)除去污水中的磷。前人通過(guò)模擬磷在模擬秋茄濕地系統(tǒng)中的分配與循環(huán)，發(fā)現(xiàn)磷主要分布在土壤中，少部分位于植物體和凋落葉中。

1.4 人工濕地系統(tǒng)組成

人工濕地系統(tǒng)由填料、水生植物和微生物組成。人工濕地的填料一般為煤灰、磚塊和石塊，為水生植物提供載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也為微生物的生長(zhǎng)提供生長(zhǎng)環(huán)境。常用的水生植物如蘆葦、水蔥、美人蕉、沙蒲等可以直接吸收污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)一些重金屬及一些有毒有害物質(zhì)具有一定的吸附能力。人工濕地系統(tǒng)中的生物菌是人工濕地系統(tǒng)的核心，它們所在的填料就是一座小的生化工廠。微生物能對(duì)生活污水中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行降解，變成水生植物可直接利用吸收的有機(jī)物質(zhì)。同時(shí)植物通過(guò)自身光合作用合成氧氣，根據(jù)距離植物根系的不同距離，可以將根系劃分為好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū)，供各類好癢和厭氧細(xì)菌使用。

2 材料與方法

2.1 填料的選擇

2.1.1 試驗(yàn)材料。試驗(yàn)填料為粗礫石、粉煤灰、煤渣、空心磚。碎石粒徑為2～4mm，放置于填料柱的底部，主要成分為Al2O3、Fe2O3、CaO。前人研究表明，粗糙的沉積物作為人工濕地填料較好，這樣容易形成較好的滲透環(huán)境，使得廢水比通過(guò)填料，使得除氮的各種機(jī)理可以在填料內(nèi)部充分地發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)沸石蘆葦床在水力負(fù)荷0.6m2/d的情況下，系統(tǒng)對(duì)各種形態(tài)的氮都有較好的去除能力，沸石對(duì)氨氮的吸附、離子交換作用是除氮的主空心磚，其原始材料為黏土、高嶺土、耐火土，燒結(jié)空心磚中摻合的黏結(jié)料像易熔、頁(yè)巖等泥料對(duì)生活污水中的重金屬離子具有一定的吸附作用，再由粉煤灰燒結(jié)而成。淋洗生活污水從某市污水處理廠中提取，實(shí)驗(yàn)水質(zhì)剛經(jīng)過(guò)了初步的粗格柵處理經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，該污水的主要水質(zhì)中COD含量為94.34～175.34mg/L，NH4+-N的含量為25.3～29.6mg/L，NO3--N的含量為2.2～3.6mg/L，TP的含量為2.23～5.92mg/L，pH范圍為8.32～8.64。

2.1.2 試驗(yàn)方法。根據(jù)粉煤灰，煤渣和空心磚的體積不同設(shè)計(jì)7組實(shí)驗(yàn)：

試驗(yàn)裝置由污水供給部分（污水配給瓶、流量控制裝置）、濕地系統(tǒng)部分（填料柱）和收集處理部分（大漏斗及接收器、濾紙、紗布）組成。

2.1.3 樣品采集。每24小時(shí)淋洗一次，單次污水淋洗200mL，連續(xù)淋洗10次，共淋洗2L，每淋洗一次取樣一次，取樣時(shí)間為每天上午9點(diǎn)。COD采用重鉻酸鉀氧化法；NH4+-N采用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定；NO3--N采用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定；TN的濃度測(cè)試使用過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法；TP濃度使用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測(cè)試。

2.2 室外試驗(yàn)材料與方法

2.2.1 人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)。濕地系統(tǒng)使用潛流和垂直流串聯(lián)組合的方式運(yùn)行，水流方式設(shè)計(jì)為上行流-下行的復(fù)合水流方式，污水水流垂直向下流動(dòng)并從下一單元底部出水，再?gòu)南乱患?jí)單元上部出水。填料為粒徑介于30mm以內(nèi)的陶粒。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的過(guò)水性能防治堵塞，系統(tǒng)處理前用較大粒徑，再用較小粒徑的填料，以提高與污水的接觸面積。

2.2.2 試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)反應(yīng)器施工、啟動(dòng)及運(yùn)行等階段，其中反應(yīng)器施工50天、反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間30天、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間113天。

2.2.3 采樣頻率。采樣內(nèi)容包括NO3--N、CODcr、TN、TP、NH4+-N等城市生活污水常規(guī)指標(biāo)，流量五天監(jiān)測(cè)一次，其他污水指標(biāo)測(cè)試周期為三天。

3 結(jié)果與分析

3.1 TP去除效果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，TP去除效果從好到差為RGSD113>RGSD112>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD211>RGSD311。淋洗初期RGSD113、RGSD112去除率較高，RGSD131、RGSD121次之，RGSD211、RGSD311較RGSD111低。RGSD113、RGSD112空心磚比例較多，空心磚中大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO形成的水合物在填料表面能與污水中磷酸根離子結(jié)合。

3.2 NH4+-N去除效果

試驗(yàn)表明，TN去除效果從好到差為RGSD311>RGSD211>RGSD121>RGSD113>RGSD111>RGSD112>RGSD113。RGSD211、RGSD311在淋洗初期效果較好，其次為RGSD121、RGSD131，最差的是RGSD112、RGSD113、RGSD111。當(dāng)淋洗污水量加大后，淋洗水量的增加后造成NH4+-N吸附能力飽和，處理能力下降，導(dǎo)致NH4+-N去除率逐漸下降。

3.3 CODcr去除效果

試驗(yàn)表明，CODcr去除效果從好到差為RGSD311>RGSD211>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD112>RGSD113，隨著處理時(shí)間的推移，各種配比的處理系統(tǒng)均有不同程度的下降。開(kāi)始淋洗時(shí)RGSD211、RGSD311處理效果較好，其次是RGSD121、RGSD131，最差的是RGSD112、RGSD113。經(jīng)4次淋洗后，RGSD311去除率效果相比于其他系統(tǒng)最好。

3.4 NO3--N去除效果

試驗(yàn)表明，對(duì)NO3--N去除率自高至低依次為RGSD113>RGSD112>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD211>RGSD311，在處理后期各有不同程度的下降，但下降幅度有所差異，其中RGSD113、RGSD112在淋洗初期去除率最高，其次是RGSD131、RGSD121，最差的是RGSD211、RGSD311、RGSD111。到淋洗后期，整體出現(xiàn)不同程度下降，其中RGSD311最差，說(shuō)明NO3--N去除效果受調(diào)料種類以及級(jí)配影響小。

3.5 填料不同級(jí)配對(duì)TN去除的影響

淋洗初期RGSD211、RGSD311去除率較高，RGSD121、RGSD131次之，RGSD311、RGSD112較RGSD111低，通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)不同填料和級(jí)配對(duì)TN去除有著較大的影響。經(jīng)過(guò)4次淋洗后，RGSD311去除率最好，這是由于該有機(jī)污染物的去除主要是通過(guò)填料吸附和微生物降解來(lái)完成處理，該級(jí)配的粉煤灰水力滲透系數(shù)低，造成水滯，為填料接觸創(chuàng)造了大量的接觸時(shí)間和面積，為吸附沉降創(chuàng)造了條件。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)表明，在相同的水質(zhì)、水量下，不同填料對(duì)污水中的污染物的處理效果不同，其中，粉煤灰對(duì)COD、TN、NH4+-N處理效果好，空心磚對(duì)污水對(duì)TP去除效果好，粉煤灰、煤渣以及空心磚對(duì)NO3--N去除效果不理想。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊佘維，謝可軍，趙婷，李冀.植物-土壤滲濾法對(duì)農(nóng)村生活污水的處理工藝研究[J].安全與環(huán)境工程，2009，（1）.

[2] 劉寶，萬(wàn)紅友，田立.SBR與土壤滲濾組合工藝對(duì)小城鎮(zhèn)污水中磷去除的實(shí)驗(yàn)研究[J].科技風(fēng)，2011，（5）.

作者簡(jiǎn)介：李軒（1998-），女，湖南衡陽(yáng)人，湖南省長(zhǎng)郡中學(xué)學(xué)生，研究方向：給排水。

（責(zé)任編輯：王 波）