人工湿地系统配料对生活污水处理效果探究

摘要：文章通过7组对比试验，探究了不同配料比例下人工湿地系统对城镇生活污水中的NH4+-N、CODcr、TP、TN、NO3--N的去除效果，其中粉煤灰填料对COD、NH4+-N等具有良好的去除效果，空心砖填料对污水中的TP成分具有比较显著的去除效果。

关键词：人工湿地；城镇生活污水；NH4+-N；CODcr；TP；NO3--N；TN 文献标识码：A

中图分类号：X131 文章编号：1009-2374（2017）02-0082-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.039

21世纪以来，我国城市化步伐加快，农村人口急剧向城镇涌入，城镇人口增加促进工农业的快速发展的同时所引发的一系列环境污染问题也日益严重，城镇生活污水是导致水质不断恶化的一个重要原因。基于人工湿地具有高效率的处理污水能力，对有机物有较强的降解能力，能有效去除污水中的N、P，同时投资运转费低，逐渐受到社会的关注。针对不同生活地区的污水水质，研究填料的性能、去污机理，对不同水质的城镇生活污水设计应用不同的配料方案，具有重要的现实意义。

1 人工湿地系统概述

1.1 相关概念

人工湿地类似于沼泽环境，通过人工建造和监督控制内部的生态系统，利用这个微小湿地自然生态系统中的生化反应来进行废水的处理。按污水的流动方式，可以将人工湿地系统分成地表流湿地、潜流湿地和垂直流湿地三种。地表流湿地即该系统主要在地表，污水水位多在0.1～0.6m，较浅，主要在湿地系统浅表层流动。潜流湿地系统主要位于系统的中部，该部位具有丰富的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料，为处理污水中氮、磷的主要吸收部位。垂直流湿地系统中污水的流动含水比较复杂，兼备地表流湿地和潜流湿地系统的吸附特点。污水通过填料床在湿地系统中由上向下的垂直流动，水流触底后被铺设在出水端底部的集水管收集起来，并经由排出系统处理。

1.2 人工湿地对氮的去除机理

在湿地系统中，微生物主要通过硝化和反硝化作用去除氮元素，同时由于填料作为微生物的生存载体而对氮的去除起着重要的作用。对于微生物而言，比表面积越大的填料生物膜的生长越快，比表面积是决定填料有效性的关键，越大的比表面的填料对氮的去除效果越好。湿地填料的理化环境对污水的除氮效果有着重要影响，主要通过氧化还原电位环境来反映，这种氧化还原电位环境还会进一步影响植物或微生物生长代谢过程，来间接控制湿地的除氮效率。试验表明，湿地填料的含水率对系统的除氮效率影响较大，当土壤水分含量超过正常田间的持水量的60%时，反硝化作用随着土壤含水率增加而增强，当土壤达到饱水状态时反硝化作用最强。

1.3 人工湿地系统对磷的去除机理

人工湿地系统对磷的去除主要是通过填料实现，通过系统中填料的吸收和过滤等物理化学作用完成。当生活污水流经人工湿地系统时，系统内部的填料通过物理吸收、吸附以及化学离子交换、络和反应等来除去污水中的磷。前人通过模拟磷在模拟秋茄湿地系统中的分配与循环，发现磷主要分布在土壤中，少部分位于植物体和凋落叶中。

1.4 人工湿地系统组成

人工湿地系统由填料、水生植物和微生物组成。人工湿地的填料一般为煤灰、砖块和石块，为水生植物提供载体和营养物质，也为微生物的生长提供生长环境。常用的水生植物如芦苇、水葱、美人蕉、沙蒲等可以直接吸收污水中的营养物质，对一些重金属及一些有毒有害物质具有一定的吸附能力。人工湿地系统中的生物菌是人工湿地系统的核心，它们所在的填料就是一座小的生化工厂。微生物能对生活污水中的有机物质进行降解，变成水生植物可直接利用吸收的有机物质。同时植物通过自身光合作用合成氧气，根据距离植物根系的不同距离，可以将根系划分为好氧区、兼氧区和厌氧区，供各类好痒和厌氧细菌使用。

2 材料与方法

2.1 填料的选择

2.1.1 试验材料。试验填料为粗砾石、粉煤灰、煤渣、空心砖。碎石粒径为2～4mm，放置于填料柱的底部，主要成分为Al2O3、Fe2O3、CaO。前人研究表明，粗糙的沉积物作为人工湿地填料较好，这样容易形成较好的渗透环境，使得废水比通过填料，使得除氮的各种机理可以在填料内部充分地发生。研究发现沸石芦苇床在水力负荷0.6m2/d的情况下，系统对各种形态的氮都有较好的去除能力，沸石对氨氮的吸附、离子交换作用是除氮的主空心砖，其原始材料为黏土、高岭土、耐火土，烧结空心砖中掺合的黏结料像易熔、页岩等泥料对生活污水中的重金属离子具有一定的吸附作用，再由粉煤灰烧结而成。淋洗生活污水从某市污水处理厂中提取，实验水质刚经过了初步的粗格栅处理经过试验测试，该污水的主要水质中COD含量为94.34～175.34mg/L，NH4+-N的含量为25.3～29.6mg/L，NO3--N的含量为2.2～3.6mg/L，TP的含量为2.23～5.92mg/L，pH范圍为8.32～8.64。

2.1.2 试验方法。根据粉煤灰，煤渣和空心砖的体积不同设计7组实验：

试验装置由污水供给部分（污水配给瓶、流量控制装置）、湿地系统部分（填料柱）和收集处理部分（大漏斗及接收器、滤纸、纱布）组成。

2.1.3 样品采集。每24小时淋洗一次，单次污水淋洗200mL，连续淋洗10次，共淋洗2L，每淋洗一次取样一次，取样时间为每天上午9点。COD采用重铬酸钾氧化法；NH4+-N采用连续流动注射分析仪测定；NO3--N采用连续流动注射分析仪测定；TN的浓度测试使用过硫酸钾消解-紫外分光光度法；TP浓度使用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测试。

2.2 室外试验材料与方法

2.2.1 人工湿地系统设计。湿地系统使用潜流和垂直流串联组合的方式运行，水流方式设计为上行流-下行的复合水流方式，污水水流垂直向下流动并从下一单元底部出水，再从下一级单元上部出水。填料为粒径介于30mm以内的陶粒。为了增强系统的过水性能防治堵塞，系统处理前用较大粒径，再用较小粒径的填料，以提高与污水的接触面积。

2.2.2 试验方案。本试验设计反应器施工、启动及运行等阶段，其中反应器施工50天、反应器启动时间30天、连续运行时间113天。

2.2.3 采样频率。采样内容包括NO3--N、CODcr、TN、TP、NH4+-N等城市生活污水常规指标，流量五天监测一次，其他污水指标测试周期为三天。

3 结果与分析

3.1 TP去除效果

根据试验数据，TP去除效果从好到差为RGSD113>RGSD112>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD211>RGSD311。淋洗初期RGSD113、RGSD112去除率较高，RGSD131、RGSD121次之，RGSD211、RGSD311较RGSD111低。RGSD113、RGSD112空心砖比例较多，空心砖中大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO形成的水合物在填料表面能与污水中磷酸根离子结合。

3.2 NH4+-N去除效果

试验表明，TN去除效果从好到差为RGSD311>RGSD211>RGSD121>RGSD113>RGSD111>RGSD112>RGSD113。RGSD211、RGSD311在淋洗初期效果较好，其次为RGSD121、RGSD131，最差的是RGSD112、RGSD113、RGSD111。当淋洗污水量加大后，淋洗水量的增加后造成NH4+-N吸附能力饱和，处理能力下降，导致NH4+-N去除率逐渐下降。

3.3 CODcr去除效果

试验表明，CODcr去除效果从好到差为RGSD311>RGSD211>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD112>RGSD113，随着处理时间的推移，各种配比的处理系统均有不同程度的下降。开始淋洗时RGSD211、RGSD311处理效果较好，其次是RGSD121、RGSD131，最差的是RGSD112、RGSD113。经4次淋洗后，RGSD311去除率效果相比于其他系统最好。

3.4 NO3--N去除效果

试验表明，对NO3--N去除率自高至低依次为RGSD113>RGSD112>RGSD131>RGSD121>RGSD111>RGSD211>RGSD311，在处理后期各有不同程度的下降，但下降幅度有所差异，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，整体出现不同程度下降，其中RGSD311最差，说明NO3--N去除效果受调料种类以及级配影响小。

3.5 填料不同级配对TN去除的影响

淋洗初期RGSD211、RGSD311去除率较高，RGSD121、RGSD131次之，RGSD311、RGSD112较RGSD111低，通过对比分析可以发现不同填料和级配对TN去除有着较大的影响。经过4次淋洗后，RGSD311去除率最好，这是由于该有机污染物的去除主要是通过填料吸附和微生物降解来完成处理，该级配的粉煤灰水力渗透系数低，造成水滞，为填料接触创造了大量的接触时间和面积，为吸附沉降创造了条件。

4 结语

試验表明，在相同的水质、水量下，不同填料对污水中的污染物的处理效果不同，其中，粉煤灰对COD、TN、NH4+-N处理效果好，空心砖对污水对TP去除效果好，粉煤灰、煤渣以及空心砖对NO3--N去除效果不理想。

参考文献

[1] 杨佘维，谢可军，赵婷，李冀.植物-土壤渗滤法对农村生活污水的处理工艺研究[J].安全与环境工程，2009，（1）.

[2] 刘宝，万红友，田立.SBR与土壤渗滤组合工艺对小城镇污水中磷去除的实验研究[J].科技风，2011，（5）.

作者简介：李轩（1998-），女，湖南衡阳人，湖南省长郡中学学生，研究方向：给排水。

（责任编辑：王 波）