中空球型多孔新型填料在城市污水处理中的应用

马 超，丁 辉，，徐世民，孙贻超，邓小文

（1.天津大学 化工学院化学工程系，天津300072；2.天津大学 精馏技术国家工程研究中心300072；3.天津环境保护科学研究院 天津300191）

人工湿地是一种具有净化污染物效果好、费用低、易维护等特点的污水处理技术，它的系统配置可塑性强，对负荷变化适应性强，而且有较好的有机物、营养物质去除能力，除此之外其生态环境效益显著。如今这项技术被大量应用于处理城市生活污水[1]、垃圾渗滤液[2]和建筑排水[3]中。

人工湿地中的填料又称滤料、基质，它不仅为植物和微生物提供生长介质，还通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除颗粒态磷和水中悬浮物。人工湿地的微生物可以通过硝化反应和反硝化反应将污水中的氮元素转化为氮气排到空气中，从而达到去除总氮的效果；同时微生物通过将有机物分解为CO2和H2O获得生长过程中所需要的能量，从而达到降低污水中COD的效果。微生物附着于填料上，所以填料的物理性质（孔隙率、孔径、比表面积等）和组成成分对于微生物生长有很大的影响。综上所述，选择优良的填料可以大大提高人工湿地的净化能力。

现在国内外研究主要集中在种植植物后的人工湿地复合系统[4－5]和填 料本 身对氮 磷 的 固 定 吸 收 作 用[6－7]，而 对 于 填料在不种植植物而只附着微生物这一过程的基础研究[8]和新型填料的开发[9]比较少。基于经济型、实用性和可行性，通过设计与实验，开发了中空球型多孔新型填料（发明专利号：201010594065.5）通过接种好氧和厌氧微生物构建垂直流人工湿地来处理城市污水，并选择了另外四种常规填料进行对比试验，以期提高人工湿地对城市生活污水的净化效率，同时比较微生物对于不同填料的适应性。

1 试验材料与方法

1.1 填料性质

此新型填料外部材质塑料，通过将其做成直径为5cm的多孔球型，其比表面积240m2m－3，孔隙率97%；中空部分填充烧结粘土。各种填料的物理性质和元素含量如表1和表2：

表1 各种填料的物理性质

表2 各种填料的元素组成

1.2 实验装置

本实验采用了5套人工湿地的试验装置，编号1－5。每套实验装置都如图1所示，人工湿地填料实验装置为内径为10cm、高度为100cm的垂直PVC柱，用金属支架将管身固定，再填充不同的填料。实验柱分为好氧柱和厌氧柱两部分，基质填充于圆柱形柱身内至管顶10cm处，管顶预留10cm的布水区和超高。柱身顶部与底部各有一个取样口，一共2个取样口。进样口采用蠕动泵将水送入人工湿地填料柱，使得进水流速容易控制。在每个好氧柱底部都安装一个石质空气分布器，分布器另一端连接一个空气泵，通过控制溶解氧（DO）来调节空气流量。

图1 实验装置图

1.3 启动与运行

系统进水为储存于水箱中的人工配制污水，化学需要氧量（COD）150mg／L、氨氮（NH3—N）36mg／L、硝氮（NO3—N）0mg／L，总氮（TN）36mg／L总磷（TP）8mg／L。在水力负荷率和水力停留时间分别为0.25m／d和3d的工况下，污水通过蠕动泵首先进入接种好氧细菌的好氧柱底部，在好氧柱顶部通过重力出水进入接种好厌氧细菌的厌氧柱底部，最后于厌氧柱顶部通过重力出水进入出水池，稳定运行10d，测试出水的COD、NH3—N、NO3—N、TN和TP。同时我们要测量体系系统pH、DO变化。

1.4 分析方法

COD、NH3—N、NO3—N、TN和TP测试都是根据国家标准[10]。其它的指标：pH通过笔式pH计测定，DO通过溶氧仪测定。

2 结果和讨论

2.1 系统pH和DO讨论

系统进水的pH值大约维持在7.6左右，其变化范围为7.5～8.0，对于硝化细菌是适合的。在适宜范围内，pH值越高对于硝化反应促进作用越大。好氧柱出水pH值维持6.8左右，其变化范围为6.6～7.0，由于好氧微生物进行硝化反应将氨基氮转化为硝基氮。好氧柱出水pH值对于反硝化细菌的生存略低[11]。

Paredes[12]等解释溶解氧低于2.5mg／L时硝化反应才会被抑制。本实验各好氧柱DO大约维持在3.0mg／L左右，其变化范围为2.8～3.2mg／L，适于好氧微生物生长；厌氧柱溶解氧处于0.5mg／L以下，变化范围为0.2～0.6mg／L，适合于反硝化细菌适合生长。

2.2 五种填料去污效果分析

2.2.1 COD的去除效果 各填料在水力负荷为0.25m／d条件下运行对于COD的去除效果如图2。由图2知随着时间的增加，COD去除效果会有缓慢增加，这是因为实验初始阶段的有机物含量足够，大量微生物进行繁殖，但是有些微生物并没有在填料表面形成生物膜，有部分被水体冲走，但是随着时间的增加，填料上的生物膜渐渐长成，使得去除效果比实验初期要好，最终去除效果也达到了60%～90%。Li[13]等研究结果说明垂直流人工湿地有机物去除效果比较好，这与本实验中各种填料组成的垂直流人工湿地有机物去除效果都很好相吻合。

图2 各种填料COD去除效果

由图知2，新型填料的去除效果还是最好的，并且达到很高去除效果的时间比较短。这是因为：（1）新型填料外部是塑料，塑料的表面比较光滑，有利于微生物的附着生长，所以达到平衡的时间比其他的填料要短；（2）新型填料比表面积大于其它的填料所以在它表面的微生物生长量比其它的填料要多。其它几种填料相比，沸石的孔径要小于其他的填料所以挂膜时间比其它的填料要长，但是它的孔隙率和比表面积比较大，所以最终它的效果并不差。麦饭石比表面积较小所以附着微生物量比较少，效果相比比较差。生物陶粒外表也比较光滑，容易挂膜，所以也很快达到很好的效果，但是由于堆密度比较小，所以效果不如新型填料。

2.2.2 TP的去除效果 由图3知，新型填料的效果比其它的填料要好，这是因为（1）新型填料中 Mg、Ca的含量比较高，容易和磷酸根离子发生化学反应，将其吸附在表面；（2）由于新型填料中的烧结粘土比表面积比较大，所以吸收的磷比较多；（3）新型填料的孔径也比较大，使得污水中的磷元素可以更容易和填料接触。这也符合Cui[14]等的研究结果。

图3 各种填料TP去除效果

2.2.3 TN去除效果 由图4知实验初期氨氮去除效果比较好，随着时间慢慢加长，去除效果会略有所下降。这是由于实验开始阶段各条件良好：溶解氧充足，填料上吸附的铵根离子也足够硝化细菌使用，同时水体中有机物含量比较大，当实验开始一定阶段后，随着微生物大量繁殖，水体有机物不能满足微生物需求，非硝化好氧细菌将会消耗一部分水体中的营养，导致硝化反应效果变差；并且吸附在填料上的铵根离子量也不足以保证硝化细菌的新陈代谢正常进行。但是最终填充了各种基质的好氧柱氨氮去除率大约在80%～100%，这是因为硝化细菌生长要求条件简单，且水体中溶解氧可以达到好氧细菌成活比例，此实验现象也符合Faulwetter[15]等关于垂直流人工湿地的硝化效果比较好的理论。

五个填料柱相比，生物陶粒和石英砂的效果是最差的，这是因为这两种填料的铝和硅的含量比其他的填料要低，吸附铵根的能力要差一些。同时这两种填料的孔隙率也不是很大，微生物生长量也没有其他填料大。同时新型填料的吸附以及去除效果还是比较好的。

图4 氨氮去除效果

图5 硝氮去除效果

进入厌氧柱中的主体是硝基氮，从厌氧柱中出来的水硝基氮的含量慢慢降低，经过大约5～6d的时间后达到平衡。与氨氮去除率相比，硝氮去除效果比较差，这与Vymazal[16]研究结果相符。

由图知，新型填料的去除效果排在第二位，但是它达到平衡的时间比较短。这是因为：1）塑料的表面比较光滑，有利于微生物的附着生长，所以达到平衡的时间比其他的填料要短；2）内部的烧结粘土材质孔径比较大，也有利于微生物的附着；3）其它的填料外部没有一层塑料填料，进水含有一定量的氧气，填料表面与进水直接接触，所以在表面不能形成厌氧条件。同时由于新型填料微生物量大量增长，使得水中的有机物不能够支持更多的反硝化细菌，同时其它厌氧菌和反硝化细菌的竞争，反硝化细菌会部分死去，导致后来的效果比开始时要差一些。沸石的吸收效果比较好，但是达到平衡的时间比较长，这是因为沸石的孔径比较小，所以微生物附着时间比较长，但是沸石的孔隙率和比表面积比较大，总的吸收量还是很大的。生物陶粒达到平衡的时间比较短，但是效果比较一般，因为它的直径比较大，所以堆积密度比较小，有效地挂膜面积比较小。石英砂无论从挂膜时间还是吸收量上都是中等。

图6 总氮去除效果

通过研究发现，各种填料有机物去除率比氮磷去除率都要高，这符合Karajic[17]等人的研究结果。由图可知，新型填料和沸石对于总氮的去除效果最好，其它填料效果一般，只有不到50%，这是因为：1）石英砂和生物陶粒在好氧柱中并没有完全把氨基氮转化为硝基氮，导致了经过厌氧柱后仍然有部分氨基氮，增加了总氮的含量；2）麦饭石在厌氧柱这部分效果比较差，导致了它的总氮去除率比较低。新型填料在处理氮元素时比沸石速率要快，而且比沸石轻便易于安装。

3 结 论

1）本实验通过将新型填料填充于好氧、厌氧交替的小型人工湿地系统中，增加了附着于填料上的微生物量从而强化了整个系统对于污染物的吸收能力。运行结果表明在系统进水COD 150mg／L、NH3－N 36mg／L、总磷TP 8mg／L、总氮TN 36mg／L、水力负荷率为0.25m／d的工况下，新型填料在对污水的COD、NH3－N、TN和TP的去除率提高了大约10%左右，显示了新型填料在几种填料中最佳的综合去污效果，说明新型填料在生活污水处理发面有良好的潜力。

2）本湿地填料其原料均来源于聚氯乙烯、聚丙烯、维尼纶或尼龙等废弃塑料，以及烧结粘土，从而拥有重量轻，来源广的特点，为找到适合于处理城市生活污水的填料从而减小人工湿地在城市中的占地面积和延长人工湿地使用年限提供一定的参考。

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