人工濕地污水處理系統(tǒng)中填料的研究進展

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(南京工業(yè)大學，江蘇南京211816)

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，大量的生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)污水進入地表水體，這不僅會引起河流、湖泊的富營養(yǎng)化，破壞敏感的水生態(tài)系統(tǒng)，還會威脅人類健康[1]。因此，控制城鎮(zhèn)水體富營養(yǎng)化氮磷超標已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中亟待解決的問題。作為一種生態(tài)的污水處理和水環(huán)境修復技術，人工濕地污水處理系統(tǒng)因具有去污效率高、成本低、運營維護方便、抗沖擊能力強和美化環(huán)境等特點[2]，已成為廣大城鎮(zhèn)和農(nóng)村污水處理系統(tǒng)的重要組成部分，并已得到了廣泛的應用。人工濕地污水處理系統(tǒng)通過填料的吸附截留、植物的吸收沉淀以及微生物和動物的吸收降解等作用可以有效去除污水中大量的營養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、重金屬、油脂及病原微生物等[3]。國外對人工濕地污水處理系統(tǒng)研究較多，主要從結構設計、模型模擬、填料組成及配比、填料深度、植物選擇、污染物去除及微生物馴化等方面進行了研究。中國對人工濕地污水處理系統(tǒng)的研究和應用也已經(jīng)開展，目前涉及的研究有：結構設計、植物選擇、去污效果、填料組成及配比等[1-7]。作為人工濕地污水處理系統(tǒng)的重要組成部分，填料在人工濕地污水處理系統(tǒng)結構中占有最大體積[2]，可為濕地中植物和微生物的附著提供生長載體，同時本身也可以凈化污水，尤其是對污水中氮磷的去除[8]。此外，填料的理化性質(zhì)對水體中污染物的去除以及系統(tǒng)的堵塞具有一定影響，填料的組成直接關系到污水有機負荷大小、進水水流流速和人工濕地占地面積等因素，因此填料可以直接影響到人工濕地污水處理系統(tǒng)的處理效果[7-8]。國外對填料進行了大量的研究，而國內(nèi)大多借鑒國外的研究經(jīng)驗對填料進行改良。筆者從人工濕地污水處理系統(tǒng)填料的組成及配比、去污效果，以及填料的改良等方面展開論述，以期為中國人工濕地污水處理系統(tǒng)填料的篩選提供依據(jù)。

1 人工濕地污水處理系統(tǒng)填料的組成及配比

選擇合適的填料對人工濕地污水處理系統(tǒng)起著關鍵作用。由于每個地區(qū)的水質(zhì)特點、地質(zhì)條件及土壤類型不同，因此所選填料的組成及配比也有差異。選擇填料時，應綜合考慮填料的水力滲透系數(shù)及對污染物的去除效果等[3]。目前，人工濕地污水處理系統(tǒng)的填料主要分為三大類：天然礦物、工業(yè)副產(chǎn)物和人工合成填料，表1為國內(nèi)外一些研究及應用推薦的填料[9-13]。

表1 人工濕地污水處理系統(tǒng)填料種類

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，填料的類型及配比組合多種多樣，其配比類型有體積比，也有質(zhì)量比，具體配比類型應該根據(jù)試驗條件及試驗的難易程度來選擇和確定。

2 填料對污染物去除效果的影響因素

表2 填料的組成、配比及凈化效果

3 人工濕地污水處理系統(tǒng)填料的滲透性能及堵塞問題

填料的滲透系數(shù)是人工濕地污水處理系統(tǒng)滲透性能的影響因素之一，而系統(tǒng)的滲透性會影響人工濕地污水處理系統(tǒng)的水文效應和去污能力。研究表明[22]，填料的粒徑大小是影響系統(tǒng)水力傳導性能和基質(zhì)孔隙大小的主要因素，直接關系到污染物在濕地中的停留時間及處理效果。選擇孔隙率和比面積較大的填料可以提高系統(tǒng)的水力傳導性能，通過增加微生物的附著面積可以提高系統(tǒng)對污水的去除能力[26]。在系統(tǒng)長期持續(xù)地運行過程中，系統(tǒng)的滲透性能會明顯降低。不同設計構型的分析表明，人工濕地污水處理系統(tǒng)的填料類型會影響滲透系數(shù)隨時間的變化。隨著時間的推移，填料層的孔隙率和水力傳導系數(shù)均會顯著下降，系統(tǒng)會出現(xiàn)堵塞，堵塞的主要成因是由于填料層中會積累過多粒徑超過5.00 μm的有機物和無機物組成的不可濾過性物質(zhì)[29]，且堵塞的部分大多為基質(zhì)的中上層[30]。填料的粒徑和不同填料粒徑的配比對系統(tǒng)的滲透性能具有重要作用，合適的粒徑和填料級配可以保證系統(tǒng)透水孔隙的有效性。趙文喜等研究表明[30]，礫石填料的常用尺寸為3～6、5～10、6～12 mm，當人工濕地上、下行流中分別設置粒徑為0～4 mm(300 mm厚)、4～8 mm(100 mm厚)、4～8 mm(500 mm厚)、8～16 mm(350 mm厚)的碎石填料時，可以有效解決人工濕地污水處理系統(tǒng)基質(zhì)的堵塞問題，還發(fā)現(xiàn)反級配系統(tǒng)有延緩堵塞的作用。此外，除填料粒徑、填料粒徑配比和填料級配外，填料的種類也是影響人工濕地污水處理系統(tǒng)的除污效果和基質(zhì)堵塞的重要因素。Lu等[12]研究顯示，選擇孔隙率和滲透系數(shù)都較大的物質(zhì)作為人工濕地污水處理系統(tǒng)填料時，系統(tǒng)不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，如瓷砂陶粒、雞蛋殼、黏土陶粒、海綿鐵和水泥磚等填料，其孔隙率和滲透系數(shù)范圍分別介于51.00%～80.40%和0.276 0～0.561 3 cm。

4 人工濕地污水處理系統(tǒng)填料的改良

針對人工濕地污水處理系統(tǒng)對氮磷的去除效果不穩(wěn)定以及系統(tǒng)的滲透性能在運行過程中會有所下降等問題，眾多學者對填料進行了改良，并發(fā)現(xiàn)了對污染物具有特異性去除能力的填料(表3)[2,12,20,25,31-39]。

表3 特異性去除污染物的填料

Wu等[40]研究表明，經(jīng)3 mol/L NaOH和2 mol/L AlCl3溶液改性后的沸石濕地系統(tǒng)的脫氮量和除磷量比普通沸石濕地系統(tǒng)分別增大1.8%和1倍多。李瓊輝[41]以粉煤灰和給水污泥為主體原料，以牡蠣殼為添加劑制作新型固磷陶粒填料，結果表明，新型填料對磷去除率高達90%。Zeng等[1]采用單一粒級的碎石作為粗骨料，水泥、粉煤灰和化學添加劑為膠結材料制備內(nèi)置空隙人工生態(tài)填料，結果表明，人工生態(tài)填料對TN、COD和TP的去除率大幅度增加。Chen等[42]研究表明，以沸石為基底，以牡蠣殼、醫(yī)用石和陶瓷作為添加劑組成混合填料的系統(tǒng)對抗生素耐藥性基因(ARGs)的清除率高達98.5%。楊晶涵等[43]研究顯示，礫石和復合填料包(土壤、木屑、木炭和鐵屑按質(zhì)量比為7∶1∶1∶1混合均勻)分層裝填的人工濕地污水處理系統(tǒng)脫氮效果明顯好于混合單層裝填的系統(tǒng)。

目前填料改良主要從3個方面進行：①向填料中添加適量的改性材料，如沸石、陶粒、有機質(zhì)、生物炭、粉煤灰、火山巖、蛭石、石灰石、改性填料及鋼渣等吸附能力強、比表面積大以及通透性好的基質(zhì)材料[3]；②優(yōu)化不同填料間的組合及配比，在傳統(tǒng)自然土壤的基礎上，選擇添加吸附能力強、多種滲透性好的基質(zhì)，如沸石、石英砂、給水廠污泥等，組成混合填料，可以是質(zhì)量比也可以是體積比；③設計成多層填料，可以是雙層，也可以是3層，甚至可以是3層以上，多層設置既可以增加滲透速率，降低發(fā)生堵塞的風險，也可以提升系統(tǒng)凈化能力。

5 結論與展望

綜上所述，選擇不同粒徑及種類的填料，利用不同填料對污水凈化效果的差異，通過協(xié)同作用既可以提升系統(tǒng)的整體凈化能力又能延長使用壽命。選擇人工濕地污水處理系統(tǒng)填料時，應根據(jù)當?shù)赝寥李愋图拔鬯|(zhì)而定。若當?shù)氐耐寥滥軡M足人工濕地污水處理系統(tǒng)填料的要求，則可以直接使用，若不能滿足，可以向土壤中添加沸石、粉煤灰、礦渣、蛭石、石灰石、陶粒及生物炭等材料，還可以優(yōu)化不同填料間的組合及配比以及設計成多層填料。填料在配比時，所用的比例既可以是體積比，也可以是質(zhì)量比，具體應根據(jù)實際情況確定。無論如何配比，都應當使得填料在滿足滲透性能的同時，還能夠有效去除各種污染物。

目前，對填料的研究主要集中在不同種類填料對不同污染物的凈化效果，而對于填料間的組合應用的效果尚缺乏深入的研究，未形成統(tǒng)一的設計規(guī)范。由于中國各地區(qū)的土壤類型、地質(zhì)條件不同，污水水質(zhì)特點也不同，即使使用相同的填料及組合配比的情況下取得的凈化效果也不一定相同。因此，應根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，深入研究人工濕地污水處理系統(tǒng)適宜的填料類型及組合配比，使其能高效發(fā)揮對污染物的凈化效果，這是該技術在中國推廣應用的關鍵問題。