表面水力負(fù)荷對(duì)錳渣陶瓷球填料人工濕地的影響研究*

成 昊 葉 芬# 宋謀勝

(1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市創(chuàng)建國家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300)

表面水力負(fù)荷對(duì)錳渣陶瓷球填料人工濕地的影響研究*

成 昊1,2葉 芬1,2#宋謀勝1

(1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市創(chuàng)建國家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300)

云貴高原地區(qū)農(nóng)村面源污染嚴(yán)重。參照貴州銅仁農(nóng)村面源污水配制模擬污水，研究了表面水力負(fù)荷對(duì)錳渣陶瓷球填料人工濕地的影響。結(jié)果表明，該人工濕地的最佳表面水力負(fù)荷為0.55m3/(m2·d)，此時(shí)COD、氨氮、硝態(tài)氮和TP去除率分別為90.12%、76.45%、70.04%、87.48%。以錳渣陶瓷球代替礫石作為人工濕地填料能顯著提高人工濕地對(duì)污染物的去除能力。

錳渣陶瓷球 人工濕地 農(nóng)村面源污染 銅仁

面源污染是相對(duì)于點(diǎn)源污染而言的，又可稱為非點(diǎn)源污染。由于農(nóng)村面源污染分布區(qū)域廣、種類繁多，所以相比工業(yè)廢水處理難度更大。目前，面源污染成為破壞水環(huán)境的主要原因[1]，在我國輸入湖泊的污染物約50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))來源于面源污染[2]。尤其是我國云貴高原一帶，山巒起伏，地形不平，山區(qū)面積達(dá)90%以上[3]，受當(dāng)?shù)刈匀?、?jīng)濟(jì)、社會(huì)及歷史發(fā)展因素的共同作用，農(nóng)村居民點(diǎn)的分布長(zhǎng)期處于自發(fā)選擇狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃管理，呈現(xiàn)“散、臟、亂、小、差”的特點(diǎn)[4]。伴隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，人們的生活水平得到提高，人為產(chǎn)生的固體廢棄物在種類和數(shù)量上均逐漸增加。就地處理農(nóng)村面源污染，因地制宜地將污水進(jìn)行資源化利用，有利于物質(zhì)的自然循環(huán)[5]。

本研究擬采用垂直潛流(VF)/水平潛流(HSF)復(fù)合人工濕地(以下簡(jiǎn)稱人工濕地)治理農(nóng)村面源污染，同時(shí)利用固體廢棄物錳渣制備錳渣陶瓷球替代礫石作為填料。錳渣陶瓷球填料人工濕地具有以下優(yōu)點(diǎn)：與當(dāng)?shù)丨h(huán)境融合；利用基質(zhì)、微生物、植物的協(xié)同作用，具有較好的污水處理與凈化能力，防止二次污染[6-7]；實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的再生利用。

1 材料與方法

1.1 人工濕地

共設(shè)置1#和2#兩套人工濕地，均根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2005—2010)設(shè)計(jì)。相比1#人工濕地，2#人工濕地利用錳渣陶瓷球替代礫石作為中間層填料，VF段替代比例(以面積占比計(jì)，下同)為50.00%，HSF段替代比例為38.46%。選擇輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、菖蒲(Acoruscalamus)和美人蕉(Cannageneralis)作為濕地植物。人工濕地剖面圖如圖1所示，人工濕地的填料和植物鋪設(shè)如表1所示。

表1 人工濕地構(gòu)造

注：1)菖蒲占20%，美人蕉占80%。

圖1 人工濕地剖面圖Fig.1 Profile diagram of artificial wetland

在人工濕地前段安裝1個(gè)水塔，借助地勢(shì)落差使污水進(jìn)入到人工濕地；進(jìn)水口附近安裝蝶閥和浮子流量計(jì)(量程為4～40 L/h)，通過蝶閥調(diào)節(jié)進(jìn)水流量并控制污水的停留時(shí)間；出水口安裝了蝶閥和浮子流量計(jì)控制出水速度。污水首先進(jìn)入VF段，污水垂直向下流經(jīng)輪葉黑藻、50 mm黏土層、400 mm礫石層(直徑為5～10 mm)或錳渣陶瓷球?qū)印?50 mm礫石層(直徑為15～20 mm)；接著進(jìn)入HSF段，污水依次通過350 mm礫石層(直徑為15～20 mm)、250 mm礫石層(直徑為5～10 mm)或錳渣陶瓷球?qū)印?0 mm黏土層，再由出水口水平進(jìn)入集水區(qū)。

調(diào)研結(jié)果顯示，銅仁周邊農(nóng)村面源污染主要以生活污水為主。參照銅仁農(nóng)村面源污水的水質(zhì)指標(biāo)，配制模擬污水(見表2)。

表2 水質(zhì)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與分析方法

1#人工濕地與2#人工濕地同時(shí)運(yùn)行。每日17:00配制次日所需的模擬污水，將污水灌入水塔。取樣周期為28 d，每日10：00左右取樣。

調(diào)節(jié)進(jìn)水口的蝶閥改變流量從而改變表面水力負(fù)荷，其實(shí)驗(yàn)方案見表3。

表3 表面水力負(fù)荷實(shí)驗(yàn)方案

通過測(cè)試COD、氨氮、硝態(tài)氮和TP的去除率確定最佳表面水力負(fù)荷。表面水力負(fù)荷指單位面積人工濕地在單位時(shí)間內(nèi)能接納的污水量，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：qhs為表面水力負(fù)荷，m3/(m2·d)；Q為人工濕地設(shè)計(jì)水量，m3/d；A為人工濕地面積，m2。

采用單因素分析法，研究不同表面水力負(fù)荷下，人工濕地對(duì)COD、TP、氨氮、硝態(tài)氮去除率的影響，COD、TP、TN分別控制在(290.0±5.0)、(30.0±2.0)、(13.0±1.0) mg/L，只有表面水力負(fù)荷發(fā)生變化。每種方案測(cè)試1次，每次在出水口取3個(gè)水樣，測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，取平均值。COD、TN、氨氮、硝態(tài)氮、TP的測(cè)定儀器見表4。

表4 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定儀器

注：1)測(cè)定前先進(jìn)行過硫酸鉀消解。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面水力負(fù)荷對(duì)COD去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的COD去除率如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著表面水力負(fù)荷增加，1#和2#人工濕地的COD去除率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。1#人工濕地的COD去除率峰值出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.40 m3/(m2·d)時(shí)；2#人工濕地的COD去除率峰值出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)。2#人工濕地的COD去除率峰值明顯高于1#人工濕地，為90.12%，說明2#人工濕地的抗沖擊能力優(yōu)于1#人工濕地。分析COD去除率曲線整體趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，2#人工濕地對(duì)COD的去除效果始終優(yōu)于1#人工濕地。這是因?yàn)?#人工濕地的填料中使用了錳渣陶瓷球，錳渣陶瓷球粒徑可控，空隙均勻，導(dǎo)致2#人工濕地的水流壓降小于1#人工濕地，溶解氧高于1#人工濕地，從而促進(jìn)其對(duì)COD的降解。另外，本研究使用的錳渣陶瓷球表面存在孔徑80 μm左右的大量顯氣孔(見圖3)，有利于表面掛膜[8]，增強(qiáng)了微生物的分解作用，從而提高了人工濕地對(duì)COD的去除率。

圖2 表面水力負(fù)荷對(duì)COD去除率的影響Fig.2 The influence of hydraulic surface loading on COD removal rate

圖3 錳渣陶瓷球微觀結(jié)構(gòu)(×200)Fig.3 Microstructure of manganese slag ceramic ball (×200)

2.2 表面水力負(fù)荷對(duì)氨氮去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的氨氮去除率如圖4所示。由圖4可以看出，隨著表面水力負(fù)荷增加，1#和2#人工濕地的氨氮去除率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。1#和2#人工濕地的氨氮去除率峰值均出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)，但2#人工濕地的氨氮去除率峰值明顯高于1#人工濕地，達(dá)到76.45%。表面水力負(fù)荷低時(shí)進(jìn)水量小，且輪葉黑藻消耗了一部分溶解氧，所以氨氮去除率偏低；隨著進(jìn)水量增大，人工濕地的溶解氧增加，且菖蒲和美人蕉生長(zhǎng)良好，通過根系將大量溶解氧帶入HSF段水體，所以氨氮去除率隨之增加。但是當(dāng)表面水力負(fù)荷超過0.55 m3/(m2·d)時(shí)，人工濕地的處理能力已達(dá)到極限，氨氮去除率逐漸降低。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，2#人工濕地的氨氮去除效果始終優(yōu)于1#人工濕地，說明錳渣陶瓷球作為填料有利于提高人工濕地對(duì)氨氮的去除能力。

圖4 表面水力負(fù)荷對(duì)氨氮去除率的影響Fig.4 The influence of hydraulic surface loading on ammonia nitrogen removal rate

2.3 表面水力負(fù)荷對(duì)硝態(tài)氮去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的硝態(tài)氮去除率如圖5所示。從圖5可以看出，隨著表面水力負(fù)荷增加，1#和2#人工濕地的硝態(tài)氮去除率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)楸砻嫠ω?fù)荷增加一方面增大了厭氧環(huán)境的面積，另一方面增加水中污染物溶解度，且輪葉黑藻生長(zhǎng)消耗溶解氧，間接使VF段水體處于缺氧或者厭氧狀態(tài)。1#和2#人工濕地的硝態(tài)氮去除率峰值均出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)，2#人工濕地的最高硝態(tài)氮去除率為70.04%，相比1#人工濕地優(yōu)勢(shì)并不明顯，可能是因?yàn)?#人工濕地的水力停留時(shí)間短于1#人工濕地，而水力停留時(shí)間偏短并不利于脫氮[9]。

圖5 表面水力負(fù)荷對(duì)硝態(tài)氮去除率的影響Fig.5 The influence of hydraulic surface loading on nitrate nitrogen removal rate

2.4 表面水力負(fù)荷對(duì)TP去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的TP去除率如圖6所示。從圖6可以看出，隨著表面水力負(fù)荷增加，TP去除率先上升后下降。1#和2#人工濕地的TP去除率峰值均出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)，2#人工濕地的最高TP去除率達(dá)到87.48%，相比1#人工濕地優(yōu)勢(shì)并不明顯。

圖6 表面水力負(fù)荷對(duì)TP去除率的影響Fig.6 The influence of hydraulic surface loading on TP removal rate

2.5 人工濕地去污機(jī)制探討

2.5.1 錳渣陶瓷球填料去污機(jī)制

結(jié)合圖2至圖6分析發(fā)現(xiàn)，2#人工濕地的去污性能優(yōu)于1#人工濕地，這主要是因?yàn)?#人工濕地使用了錳渣陶瓷球替代礫石作為填料。錳渣陶瓷球的氣孔率達(dá)40%，表面有許多80 μm左右的顯氣孔，有利于微生物在其表面生長(zhǎng)。當(dāng)微生物生長(zhǎng)到一定厚度，在錳渣陶瓷球表面形成了好氧—缺氧—厭氧分布，從而提高了微生物對(duì)污染物的去除率。

錳渣陶瓷球粒徑均勻，空隙率可調(diào)，節(jié)省動(dòng)力損耗，減少壓降損失。水流能在2#人工濕地流動(dòng)穩(wěn)定，并將老化的微生物沖走。污水中不溶性有機(jī)物經(jīng)過沉淀和過濾作用，迅速被錳渣陶瓷球填料攔截，再被微生物利用[10]。相比之下，礫石表面光滑，微生物生長(zhǎng)空間較少，所以微生物容易脫落；另外，礫石顆粒形狀不規(guī)則，孔隙不均勻，增加了壓降損失，因此1#人工濕地發(fā)生堵塞的概率較大。

2.5.2 微生物和植物凈化機(jī)制

微生物是各類污水中最先出現(xiàn)并且能對(duì)污染物進(jìn)行有效吸收和降解的生物群體；此外，微生物還能捕獲溶解性污染物，供給與其共生的植物或者動(dòng)物利用。濕地植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，能經(jīng)過通氣組織將氧氣輸送到根系，在植物根系周圍的微環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，為好氧微生物和厭氧微生物提供良好的生存環(huán)境[11]。在好氧環(huán)境下，亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌將含氮化合物降解為硝酸鹽和亞硝酸鹽，在缺氧環(huán)境下反硝化細(xì)菌將其還原成二氧化氮或者氮?dú)馀懦?。噬磷?xì)菌將有機(jī)磷和不可直接利用的磷降解為簡(jiǎn)單的、可供植物和微生物吸收的磷，并在厭氧環(huán)境下生成短鏈脂肪酸。

美人蕉和菖蒲根系發(fā)達(dá)，生物量大，能為水體提供大量氧氣，同時(shí)也為微生物提供了生長(zhǎng)空間；兩者均能吸收污水中的有機(jī)物，表現(xiàn)出較強(qiáng)的污水處理能力[12]。輪葉黑藻生長(zhǎng)范圍廣，適應(yīng)能力強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，富集能力強(qiáng)，除磷效果明顯，在一些富營養(yǎng)化的水體中，還能明顯降低水體中的氮含量[13-15]。

3 結(jié) 論

錳渣陶瓷球填料人工濕地的最佳表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)，此時(shí)COD、氨氮、硝態(tài)氮和TP去除率分別高達(dá)90.12%、76.45%、70.04%、87.48%。錳渣陶瓷球氣孔率為40%，表面有許多80 μm左右的顯氣孔，有利于生物掛膜，能明顯改善人工濕地對(duì)污染物的去除能力。

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Theinfluenceofthehydraulicsurfaceloadingfortheartificialwetlandusingmanganeseslagceramicballasfiller

CHENGHao1,2,YEFen1,2,SONGMousheng1.

(1.CollegeofMaterialandChemicalEngineering,TongrenUniversity,TongrenGuizhou554300;2.TongrenOfficeofEstablishingNationalEnvironmentalProtectionModelCity,TongrenGuizhou554300)

Non-point source pollution in rural areas of Yunnan-Guizhou Plateau is serious. The influence of surface hydraulic loading on manganese slag ceramic ball artificial wetland was studied according to simulated wastewater of non-point source pollution,taking Tongren for instance. Results showed that the excellent surface hydraulic loading of the system was 0.55 m3/(m2·d),with removal rates of COD,ammonia nitrogen,nitrate nitrogen and TP 90.12%,76.45%,70.04% and 87.48%,respectively. The removal rate of pollutants was improved significantly by using manganese slag ceramic ball as filler instead of gravel in artificial wetland.

manganese slag ceramic ball； artificial wetland； non-point source pollution； Tongren

成 昊，男，1987年生，博士，副教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境保護(hù)材料、污水凈化裝備。#

。

*貴州省教育廳科技拔尖人才支持項(xiàng)目(黔教合KY字[2016]107號(hào)、黔教合KY字[2016]009號(hào))；貴州省銅仁市創(chuàng)模辦資助課題(No.Trcmb16-9、No.Trcmb16-14)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.003

2016-05-05)