垂直流人工濕地填料對(duì)尾水深度處理的效果

陳 軍，李赫龍，盧 斌，劉昊臻，林 靜

（1.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京 100037；2.深圳市碧園環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

人工濕地是污水處理中常用的技術(shù)，垂直流人工濕地由于占地面積相對(duì)少、污染物去除率高且不易發(fā)生堵塞等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。在人工濕地中，基質(zhì)中的填料是人工濕地處理污水的重要部分，對(duì)處理效果有重要影響。填料在為植物和微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)的同時(shí)，還能夠通過(guò)沉淀、過(guò)濾和吸附等作用直接去除污染物，而填料的種類、顆粒級(jí)配等會(huì)直接影響污染物的沉淀、過(guò)濾和吸附效果[1]。

朱夕珍等[2]以石英砂、煤灰渣和高爐渣作為填料，長(zhǎng)期觀測(cè)運(yùn)行對(duì)比其污染物削減效果，認(rèn)為石英砂導(dǎo)水性好，水力負(fù)荷高，不易堵塞；武俊梅等[3]分別以沸石、無(wú)煙煤、頁(yè)巖、蛭石、鋼渣、生物陶粒等填料進(jìn)行污水處理，得出了沸石、無(wú)煙煤和生物陶粒在高水力負(fù)荷條件下可獲得更好的處理效果。李少朋等[4]選用活性炭、陶粒和火山巖作為垂直流人工濕地基質(zhì)，進(jìn)行不同基質(zhì)凈化畜禽養(yǎng)殖廢水的效果研究，結(jié)果表明，活性炭對(duì)總磷、總氮有很好的凈化效果。Wang等[5]將牡蠣殼作為人工濕地填料進(jìn)行污水處理試驗(yàn)，結(jié)果表明該填料對(duì)磷有顯著的去除效果。王建明等[6]使用牡蠣殼濾池對(duì)養(yǎng)殖污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明總氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和活性磷酸鹽的去除率分別達(dá)到（76.7±7.56）%、（94.9±3.6）%、（12.2±38.76）%和 （17.8±17.46）%。李文鵬[7]制備了改性牡蠣殼粉用于處理含磷廢水，對(duì)磷的去除效果可達(dá)90%以上；張毓媛等[8]選取火山石、粗爐渣、牡蠣殼三種基質(zhì)，通過(guò)垂直流人工濕地室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了五種體積比的基質(zhì)組合的除污效果，結(jié)果表明填料組合配比對(duì)水質(zhì)處理效果影響顯著。吳小鳳等[9]以火山石、沸石、牡蠣殼、陶粒、麥飯石和磚紅壤作為人工濕地填料，分別進(jìn)行單一和組合填料配比研究，結(jié)果表明組合填料系統(tǒng)對(duì)主要污染物的去除效率相對(duì)單一填料有所提高。

以上關(guān)于填料配比和組合的應(yīng)用研究方法多是基于小型裝置的室內(nèi)控制試驗(yàn)，在室外大尺度上的觀測(cè)研究還較為鮮見(jiàn)。并且，在人工濕地實(shí)際運(yùn)行中，表層填料的厚度和水力負(fù)荷也是影響污水水質(zhì)出水效果的重要方面?；诖?，筆者在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，選擇沸石、活性炭和牡蠣殼三種填料作為人工濕地基質(zhì)，研究其對(duì)污水處理廠尾水深度處理的效果，并通過(guò)改變填料的鋪設(shè)厚度和水力條件，對(duì)其脫氮除磷效果進(jìn)行探究。

1 材料與方法

本研究分三個(gè)階段在7個(gè)試驗(yàn)池進(jìn)行，試驗(yàn)池尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=2 m×2 m×1.8 m，池子由過(guò)濾層90 cm、承托層（粒徑4～8 mm的碎石）30 cm、透水層（粒徑8～16 mm的碎石） 30 cm 3層填料填鋪而成。其中，過(guò)濾層填料根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，其方案配比如表1所示。試驗(yàn)池表層均種植相同密度的風(fēng)車草，每天的進(jìn)水量和進(jìn)水時(shí)間由自動(dòng)閥門控制，運(yùn)行的水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d），連續(xù)運(yùn)行90 d。污水水樣來(lái)自深圳市某污水處理廠尾水，其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

研究表明，單一的填料對(duì)污水的處理效果不如組合填料，水力負(fù)荷也是影響人工濕地污水處理及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。為此，筆者將活性炭、牡蠣殼、沸石三種填料按照1∶2∶7的比例進(jìn)行組合，分別設(shè)置厚度為20 cm、30 cm、50 cm，研究填料厚度對(duì)污染物去除效果的影響。之后，再分別按照高負(fù)荷2 m3/(m2·d)、中負(fù)荷1 m3/(m2·d)、低負(fù)荷 0.5 m3/(m2·d)三種水力負(fù)荷進(jìn)水，探究濕地填料在不同水力負(fù)荷下的處理效果及穩(wěn)定程度。

裝置搭建好后進(jìn)行半個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行，待運(yùn)行穩(wěn)定后，每隔5 d分別對(duì)各試驗(yàn)池出水水質(zhì)進(jìn)行取樣檢測(cè)。水質(zhì)檢測(cè)的指標(biāo)有TN、TP、NH3-N、COD，檢測(cè)方法按照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法，采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)檢測(cè)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同填料處理尾水效果

在不同填料處理下，各試驗(yàn)池水質(zhì)處理效果見(jiàn)圖1。COD的處理效果最好的為A1，平均去除率為（56.46±4.26）%，A2和A3兩個(gè)則分別為（40.40±6.136）%和 （41.70±6.526）%，相比于沸石和牡蠣殼，活性炭對(duì)COD的去除效率更高。在氨氮的處理效果上，A3最好，試驗(yàn)期間平均去除率為 （84.1±3.946）%，而空白組的去除率只有55.95%，其他兩組也分別只有61.9%和68.29%，說(shuō)明與活性炭和牡蠣殼相比，沸石對(duì)氨氮的去除能力更強(qiáng)。在總磷的處理效果上，A1和A3的處理效果與空白組差別不大，兩組的去除率在35%～45%之間，說(shuō)明添加活性炭和沸石對(duì)總磷的去除不能產(chǎn)生明顯的提升效果，而A2在試驗(yàn)期間對(duì)總磷的平均去除率為（62.01±6.896）%，最大去除率為75%，說(shuō)明牡蠣殼的添加可以有效地提升人工濕地填料對(duì)總磷的去除效果。

表1 人工濕地表層填料方案

相比于其他水質(zhì)指標(biāo)，各試驗(yàn)池對(duì)總氮的去除率普遍偏低。其中，A3的處理效果最好，試驗(yàn)期內(nèi)平均去除率為（36.61±5.04）%，另外兩組的去除效果則分別為12.55%和14.12%，說(shuō)明添加沸石對(duì)總氮有一定的去除效果。

2.2 組合填料厚度對(duì)污染物的影響

根據(jù)各功能性填料對(duì)污染物的去除效果，按照活性炭∶牡蠣殼∶沸石=1∶2∶7進(jìn)行組合配比試驗(yàn)，研究表層填料厚度對(duì)尾水的處理效果，其結(jié)果見(jiàn)圖2。三個(gè)試驗(yàn)池對(duì)COD的去除效果均較好，其中A6試驗(yàn)池的去除率為56.35%，A4和A5兩個(gè)分別為50.16%和54.26%，即A6＞A5＞A4。對(duì)于氨氮，三個(gè)試驗(yàn)池的處理效果均隨著試驗(yàn)進(jìn)行有提高的趨勢(shì)。試驗(yàn)期間，三個(gè)試驗(yàn)池中去除效果最好的為A6，平均去除率為81.48%，A4和A5兩個(gè)分別為78.40%和74.70%。對(duì)于總磷，三個(gè)試驗(yàn)池中去除效果最好的仍為A6，平均去除率為63.07%，A4和A5兩個(gè)分別為58.14%和54.72%。對(duì)于總氮的去除效果，三個(gè)試驗(yàn)池中去除效果最好的仍為A6，平均去除率為46.13%，A4和A5兩個(gè)分別為40.83%和41.29%。

圖1 不同填料對(duì)污水的處理效果

圖2 填料厚度對(duì)污水的處理效果

2.3 水力負(fù)荷

水力負(fù)荷是影響人工濕地污水處理及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，過(guò)高的水力負(fù)荷不僅影響出水水質(zhì)，而且也會(huì)縮短人工濕地的使用壽命，過(guò)低則降低了人工濕地對(duì)污水處理效率。根據(jù)功能填料厚度對(duì)去除率的結(jié)果，A6試驗(yàn)池的厚度對(duì)尾水處理效果最好。在A6厚度的基礎(chǔ)上分別設(shè)置了高、中、低三個(gè)水力負(fù)荷進(jìn)行研究，其結(jié)果見(jiàn)圖3?？偟膩?lái)看，低水力負(fù)荷下各水質(zhì)的處理效果最好，出水水質(zhì)最為穩(wěn)定，水質(zhì)去除效果大致表現(xiàn)為低負(fù)荷＞中負(fù)荷＞高負(fù)荷的趨勢(shì)。其中，COD的去除率在三個(gè)水力負(fù)荷下差別不大，高水力負(fù)荷條件下處理效果只比低水力負(fù)荷下減少8.81%。氨氮的處理效果隨著時(shí)間的進(jìn)行，三個(gè)水力負(fù)荷下的去除效果有逐漸縮小的趨勢(shì)。以上結(jié)果說(shuō)明，污水中COD和氨氮的去除效果受水力負(fù)荷的影響較小。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)適當(dāng)提高水力負(fù)荷以增加人工濕地污水處理量。

圖3 水力負(fù)荷對(duì)污水的處理效果

總磷的去除效果則隨著時(shí)間的進(jìn)行，低水力負(fù)荷下水質(zhì)處理效果越來(lái)越好。這是由于在人工濕地中，總磷的去除更多的是靠基質(zhì)填料的吸附作用，當(dāng)水力負(fù)荷過(guò)大時(shí)，不僅導(dǎo)致人工濕地填料使用壽命縮短，也會(huì)因?yàn)榱姿岣x子來(lái)不及吸附而導(dǎo)致出水濃度偏高。值得一提的是，對(duì)于總氮的去除，低負(fù)荷條件下的效果明顯好于高負(fù)荷和中負(fù)荷。其中，低負(fù)荷下的去除率為46.14%，而高負(fù)荷下的去除率僅為26.38%，且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，低負(fù)荷下的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。其主要原因是總氮在填料中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)需要硝化菌和反硝化菌的參與[10-12]，而當(dāng)一定濃度下水力負(fù)荷過(guò)高時(shí)，超過(guò)了填料的飽和去除率，必然導(dǎo)致出水濃度提高。這一結(jié)果說(shuō)明填料對(duì)總氮的承載有限，過(guò)高的水力負(fù)荷會(huì)降低總氮的去除效果。

3 討論

不同人工濕地填料對(duì)水質(zhì)的處理效果不同，組合填料相比單一填料更能夠提高對(duì)不同水質(zhì)的處理效果，因而選出合適的填料組合，對(duì)于提高污水處理效果至關(guān)重要。本研究選取垂直流人工濕地常見(jiàn)的填料牡蠣殼、活性炭、沸石進(jìn)行研究。

在單種填料上，活性炭對(duì)COD的去除效率較好，與砂石相比，去除率提高了17.96%，說(shuō)明活性炭對(duì)COD的去除有明顯的效果，這與其他研究結(jié)果一致[13-14]。在人工濕地中，植物吸收、微生物分解代謝和基質(zhì)吸附作用是磷的主要去除途徑，而基質(zhì)磷吸附作用普遍被視為首要的途徑，經(jīng)基質(zhì)吸附和沉淀作用去除的總磷可占到總?cè)コ康?0%以上。在總磷的處理效果上，牡蠣殼試驗(yàn)組效果最好，其去除率高于同期空白組27.26%。牡蠣殼的主要成分為碳酸鈣，物理構(gòu)造為角質(zhì)層、棱柱層、珍珠層組成，主要部分為棱柱層，葉片狀結(jié)構(gòu)，含大量互相連通的2～10μm微孔，具有較強(qiáng)的吸附能力。Wang等[5]應(yīng)用牡蠣殼作為人工濕地填料研究對(duì)污水中磷的去除效果，李文鵬等[7]通過(guò)制備改性牡蠣殼粉來(lái)研究其對(duì)含磷廢水的處理效果。這些研究均表明牡蠣殼對(duì)磷的去除效果較好，牡蠣殼填料適合對(duì)含磷廢水中磷的去除，可用來(lái)廣泛推廣并應(yīng)用為人工濕地填料[15]。

在氨氮和總氮的處理效果上，沸石試驗(yàn)組效果最好，試驗(yàn)期間氨氮平均去除率高于空白組29.15%，總氮平均去除率高于空白組26.63%。對(duì)于氨氮，沸石去除氨氮的途徑以離子交換為主，物理吸附作用很小，因而去除效果比較穩(wěn)定[16]。陳麗麗等[17]研究沸石、紅泥、砂、爐渣4種人工濕地基質(zhì)凈化NH4+-N的效果，結(jié)果表明4種基質(zhì)對(duì)氨氮的吸附量順序依次為：沸石＞紅泥＞爐渣＞砂；盧少勇等[18]測(cè)定了29種常見(jiàn)的濕地填料對(duì)氨氮去除效果，結(jié)果表明沸石很適合作為人工濕地中吸附NH3-N的填料，以上研究均與本研究結(jié)果一致。而對(duì)于總氮的去除，沸石試驗(yàn)組之所以強(qiáng)于其他兩組，可能是由于對(duì)氨氮的去除效果較好，進(jìn)而間接提高了總氮的去除效果。

對(duì)于人工濕地填料的選擇，眾多研究均表明，組合填料相比于單一的填料，不僅污染物去除效果好，而且相對(duì)更穩(wěn)定[3，9，19]。本研究設(shè)置的以沸石、活性炭、牡蠣殼為主的組合填料，在厚度上對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的處理結(jié)果均表現(xiàn)為A6（50 cm） ＞A5（30 cm） ＞A4（20 cm），說(shuō)明組合填料厚度越厚，人工濕地填料對(duì)尾水去除效果越好，但其差距均不大，見(jiàn)圖4。對(duì)于COD的去除效果，A6比A4高出6.19%；對(duì)于氨氮、總磷、總氮的去除率，也分別只高出7.78%、8.35%、5.30%，說(shuō)明隨著表層填料厚度的增加，人工濕地填料對(duì)污染物去除的邊際效益在逐漸遞減。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002），三個(gè)試驗(yàn)池出水水質(zhì)除總氮外，其他三個(gè)指標(biāo)均達(dá)到了地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，從性價(jià)比來(lái)看，三個(gè)試驗(yàn)池表層填料上，反而A4（20 cm）的厚度效果最優(yōu)。

圖4 厚度對(duì)出水的影響

4 結(jié)論

人工濕地填料的選擇對(duì)污水廠尾水的深度處理效果有重要影響，牡蠣殼、活性炭、沸石單獨(dú)使用時(shí)，分別對(duì)總磷、COD、氨氮有顯著的處理效果。按照活性炭∶牡蠣殼∶沸石 =1∶2∶7進(jìn)行組合配比時(shí)，表層填料厚度對(duì)污染物的去除效果表現(xiàn)為50 cm＞30 cm＞20 cm，但三種情況下出水水質(zhì)差別不大。水力負(fù)荷會(huì)影響人工濕地對(duì)污染物的去除效果，低水力負(fù)荷下各水質(zhì)的處理效果最好，出水水質(zhì)最為穩(wěn)定，水質(zhì)去除效果大致表現(xiàn)為低負(fù)荷＞中負(fù)荷＞高負(fù)荷的趨勢(shì)，總氮總磷受水力負(fù)荷影響較大，氨氮與COD則影響較小。