三種基質(zhì)及其組合配比對生活污水的凈化效果

萬暢 祝浩翔

摘? ?要? ?為掌握三種基質(zhì)及組合配比對生活污水凈化的規(guī)律，為提高生活污水的凈化效率提供參考依據(jù)，通過模擬垂直流人工濕地，選取沙、爐渣、土壤三種基質(zhì)以體積比1∶2∶1，1∶1∶2，2∶1∶1按固定順序自下而上依次裝填試驗(yàn)系統(tǒng)，分別編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，同時設(shè)有單一基質(zhì)裝填及空白對照試驗(yàn)（全沙、全爐渣、全土、空白，依次編號Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ），以不同的水力停留時間（HRT）：0.5 d、1 d、3 d、5 d、7 d、9 d，探究對生活污水中的NH4+-N、TP的去除率及pH的影響。結(jié)果表明，Ⅰ系統(tǒng)NH4+-N的平均去除率最高;Ⅴ系統(tǒng)TP的平均去除率最高，其次為Ⅰ;各系統(tǒng)在0.5～9 d的HRT下，Ⅰ～Ⅵ的NH4+-N及TP去除率存在最高點(diǎn)。但在Ⅶ系統(tǒng)中，TP去除率基本不變，NH4+-N去除率存在最高點(diǎn)。本試驗(yàn)中，系統(tǒng)Ⅰ對NH4+-N及TP均表現(xiàn)出良好的去除效果，即最佳的基質(zhì)配比為1（沙）∶2（爐渣）∶1（土壤）;且在1 d時NH4+-N去除率最高，在5 d時TP去除率最高。

關(guān)鍵詞? ?人工濕地;基質(zhì)及其組合配比;HRT;生活污水凈化;污染物去除率

中圖分類號：X52? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.1.003

目前，生活污水等問題日益嚴(yán)重，一方面排放總量持續(xù)上升，另一方面面臨著極低的生活污水處理率。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)要么效率不高，要么受經(jīng)濟(jì)條件限制，故低成本、高效率的人工濕地污水處理技術(shù)就凸顯其作用[1]，這類工藝投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好[2-4]，并且可以創(chuàng)造出具觀賞性、美學(xué)功能的濕地景觀。而基質(zhì)作為人工濕地的最基本要素，其種類及組合配比對生活污水的去污效果起著至關(guān)重要的作用，國內(nèi)外學(xué)者做過很多關(guān)于它們的研究，但由于區(qū)域條件環(huán)境的限制，結(jié)果表現(xiàn)得有些差異。近年來，人工濕地的基質(zhì)去污效能成為研究熱點(diǎn)，張燕等人通過等溫?zé)崃W(xué)吸附試驗(yàn)，比較了人工濕地的基質(zhì)高鈣廢渣、改性赤泥和火山石對污水中氨氮的去除效果，結(jié)果表明高鈣廢渣對NH4+-N的吸附效果最好[5]。而影響水中NH4+-N及TP去除的因素有很多，其中包括基質(zhì)的吸附、沉淀及水力停留時間，所以在不同的水力停留時間下探究基質(zhì)及組合配比對生活污水的凈化效果就更有實(shí)際的應(yīng)用意義。本文選取三種經(jīng)濟(jì)易得的基質(zhì)：沙子、爐渣、土壤，以1∶1∶2，1∶2∶1及2∶1∶1的比例模擬構(gòu)建濕地基質(zhì)組成，探究比較生活污水凈化效率，從而優(yōu)化基質(zhì)配比、明確最適水力停留時間，為今后生活污水的處理，海綿城市、雨水花園設(shè)計(jì)等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

本試驗(yàn)所取的土壤來源于西南大學(xué)（重慶市北碚區(qū)）厚藝園，取表層20 cm以下的土壤;爐渣購于山東棗莊，清洗后多次過網(wǎng)篩選，晾干待用，3～6 mm的粒徑;沙子是購于重慶市北碚嘉陵江的河沙，粒徑0.08～1.00 mm，主要成分是SiO2，晾干待用。

構(gòu)建試驗(yàn)系統(tǒng)：模擬小型的垂直流人工濕地，將一個上直徑32 cm、下直徑25 cm、高45 cm的塑料桶進(jìn)行改裝，在距離其底部1 cm處鑿一個孔，安裝水龍頭，控制污水的進(jìn)出。自桶的底部至20 cm高處分別分層填充基質(zhì)沙、爐渣、土壤，改變基質(zhì)的高度，即改變其配比;從桶20 cm高處起至桶高30 cm止填充人工配制的生活污水（見圖1）。

試驗(yàn)設(shè)置7組系統(tǒng)，即7個處理，編號依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ ，為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組系統(tǒng)試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，并且將試驗(yàn)系統(tǒng)置于人工搭建的大棚中，以減少其他因素的干擾。

本試驗(yàn)由沙、爐渣、土壤固定順序自下而上填充試驗(yàn)系統(tǒng)，比例分別為1∶2∶1，1∶1∶2，2∶1∶1，并設(shè)置對照（見表1）。

1.2 污水的配制及用量

供試污水模擬城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的三級標(biāo)準(zhǔn)[6]，使用氯化銨和磷酸二氫鉀進(jìn)行氮、磷濃度的配制[7]，初始指標(biāo)：NH4+-N 10 mg·L-1，TP 4 mg·L-1，pH=6.3。污水用量相同，均為30 L。

1.3 水樣采集及指標(biāo)測定

1.3.1 水樣采集

本試驗(yàn)地點(diǎn)在西南大學(xué)30教學(xué)樓頂樓，從7月底持續(xù)到8月16。試驗(yàn)開始運(yùn)行，每隔0.5 d、1 d、3 d、5 d、7 d、9 d采集水樣（以HRT表示水力停留時間），打開閥門采集，采集后及時關(guān)掉閥門。每次采集的水樣均為50 mL，減少因進(jìn)水量的不同而產(chǎn)生的誤差，及時測量出水樣的NH4+-N、TP濃度及pH值，根據(jù)測出的結(jié)果取每個系統(tǒng)的平均值。

1.3.2 指標(biāo)測定

利用哈納HI83200儀器測定水樣的NH4+-N、TP濃度，用R表示污染物出水濃度，分別測出同一試驗(yàn)裝置三次重復(fù)的出水濃度R1、R2、R3。

利用精密pH試紙測水樣的pH值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

圖表繪制和數(shù)據(jù)處理使用Excel 2010軟件進(jìn)行。

某一污水污染物出水濃度的平均值? ?（mg·L-1）的計(jì)算公式為：

（1）

（1）式中，R1、R2、R3為同一試驗(yàn)裝置的三次重復(fù)試驗(yàn)的污染物出水濃度（mg·L-1）

某一試驗(yàn)裝置污染物（TP、NH4+-N）去除率λ（%）的計(jì)算公式為：

（2）

（2）式中，R0為污染物進(jìn)水濃度（mg·L-1）;

為出水濃度平均值（mg·L-1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種基質(zhì)及其組合配比對NH4+-N凈化效果

由表1可以得出，綜合0.5～9 d的時間，NH4+-N的平均去除率Ⅰ（21.93%）>Ⅴ（19.4%）>Ⅵ（17.92%）>Ⅲ（15.8%）>Ⅱ（15.48%）>Ⅳ（12.33%）>Ⅶ（1.42%）。通過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ系統(tǒng)與Ⅶ系統(tǒng)的氨氮去除率對比可以看出，前六個系統(tǒng)的NH4+-N平均去除率在12.33%～21.93%，平均值為17.14%，是Ⅶ系統(tǒng)的8.7～15.4倍。

系統(tǒng)Ⅰ對NH4+-N的去除率明顯優(yōu)于其他系統(tǒng)，平均值為21.93%;對照系統(tǒng)Ⅶ的NH4+-N去除率最低，平均值是1.42%。組合基質(zhì)裝填的系統(tǒng)Ⅱ（15.48%）與Ⅲ（15.8%）對NH4+-N的去除率差異不明顯，但都弱于單一基質(zhì)裝填的系統(tǒng)Ⅴ、Ⅵ。

各系統(tǒng)的NH4+-N的去除率在水力停留時間為0.5～3 d時較高，但最高僅為34.7%。而5～9 d的NH4+-N去除率開始下降，在5%左右。Ⅰ～Ⅵ系統(tǒng)的NH4+-N去除率受時間的影響大。在0.5 d、1 d、7 d、9 d時，各系統(tǒng)的NH4+-N平均去除率變化差異較大;在3 d、5 d時，Ⅰ-Ⅵ變化差異縮小。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ系統(tǒng)均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在1 d時NH4+-N去除率達(dá)到最高值;Ⅳ、Ⅴ系統(tǒng)0.5 d時NH4+-N去除率就達(dá)到最高值;Ⅶ系統(tǒng)的NH4+-N去除率趨勢為先上升后下降，3 d達(dá)到最高值2%。

2.2 三種基質(zhì)及其組合配比對TP凈化效果

由表2可知，在0.5～9 d的水力停留時間下，TP平均去除率Ⅴ（91.25%）>Ⅰ（82.08%）>Ⅱ（75%）>Ⅵ（59.17%）>Ⅲ（35%）>Ⅳ（32.5%）>Ⅶ（2.5%）。對于單一基質(zhì)裝填的系統(tǒng)而言，TP平均去除率：Ⅴ>Ⅵ>Ⅳ;對于基質(zhì)組合裝置而言，TP平均去除率：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。且Ⅴ的TP平均去除率最高，其次為Ⅰ;Ⅶ系統(tǒng)的TP去除率始終保持在2.5%。

Ⅰ～Ⅵ系統(tǒng)對TP去除率的變化有著相似的趨勢：各系統(tǒng)的變化受時間的影響較大;TP去除率存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在0.5～5 d時TP去除率達(dá)到最大值。Ⅴ在3 d達(dá)到最高值92.5%后基本保持不變。Ⅰ系統(tǒng)在5 d時TP去除率達(dá)到最高，而Ⅶ系統(tǒng)的TP去除率保持不變。徐麗等研究表明，為得到較高的TP去除率，水力停留時間應(yīng)>1 d[8]。

2.3 三種基質(zhì)及其組合配比對pH的影響

由表3可得，Ⅰ～Ⅶ系統(tǒng)的pH平均值為6.30，與進(jìn)水pH值相等，各系統(tǒng)的pH值在6.2～6.5，波動幅度不大。

3 討論

3.1 三種基質(zhì)及其組合配比對生活污水凈化的影響

本試驗(yàn)中，各系統(tǒng)對NH4+-N的去除率都不算太高，平均為14.89%，不到20%。這可能是因?yàn)榛|(zhì)及基質(zhì)配比并不是去除生活污水中NH4+-N的最重要因素。而TP去除率的變化幅度大，最高達(dá)到了91.25%，說明基質(zhì)及其組合配比在很大程度上影響了TP的去除，這與Reddy等的人工濕地中70%～87%的磷都是通過基質(zhì)去除的研究結(jié)論相一致[9]。

本試驗(yàn)中，系統(tǒng)Ⅶ（空白對照）顯示對NH4+-N的平均去除率為1.4%，推測這部分NH4+-N可能是通過揮發(fā)的方式從人工濕地中去除的。有關(guān)研究表明，揮發(fā)是NH4+-N的去除途徑之一，并且在一定的條件下，NH4+-N的揮發(fā)量會隨著生活污水蒸發(fā)量的增加而升高[10]。Ⅶ系統(tǒng)的NH4+-N的平均去除率約是Ⅰ～Ⅵ的1/12，且進(jìn)水水質(zhì)的pH值為6.3，所以在本試驗(yàn)中可以忽略因揮發(fā)從系統(tǒng)中逸出的NH4+-N。這與Reddy和Patrick的發(fā)現(xiàn)是一致的，他們得出當(dāng)pH值低于7.5時，NH4+-N揮發(fā)作用可以忽略[11]。Ⅶ系統(tǒng)的TP去除率始終保持在2.5%，這可能與HI83200儀器測量TP精度為0.1有關(guān)。Ⅶ系統(tǒng)對TP的去除率遠(yuǎn)低于Ⅰ～Ⅵ，說明了外部環(huán)境對試驗(yàn)的干擾很小。

Ⅰ系統(tǒng)對NH4+-N的去除率明顯優(yōu)于其他系統(tǒng)，推測可能與基質(zhì)分層促進(jìn)硝化與反硝化的進(jìn)行有關(guān)。這與劉慎坦等對比組合基質(zhì)與煤渣基質(zhì)，得出組合基質(zhì)由于有利于濕地中形成上層以硝化菌為主的硝化反應(yīng)區(qū)和下層以反硝化菌為主的反硝化區(qū)，所以有更好的脫氮效果的研究相一致[12]。Ⅰ系統(tǒng)的TP去除率優(yōu)于其他組合基質(zhì)裝填的系統(tǒng)，并且隨著水力停留時間的延長，這個規(guī)律基本不變。這可能與爐渣占比多有關(guān)。

Ⅴ爐渣對TP的去除效果明顯優(yōu)于Ⅵ土壤和Ⅳ沙，這可能是爐渣中金屬氧化物而引起的。并且有研究表明，爐渣中存在著鋁氧化物、鈣氧化物，又因?yàn)闋t渣疏松多孔的物理特性，使磷可以被均勻地吸附，為鋁、鈣對磷的物理化學(xué)作用創(chuàng)造了有利的條件[13]。對于本試驗(yàn)中的土壤，它取自西南大學(xué)厚藝園，可能含有一些金屬氧化物，滿足了基質(zhì)對磷的化學(xué)吸附條件，因此對TP的去除效果較好;而沙的孔隙率很小，金屬氧化物含量極少，并且沙子基本不與磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以它對TP的去除率較低。

各系統(tǒng)在0.5～9 d的HRT下，對NH4+-N、TP去除率均存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。有研究表明，污染物質(zhì)轉(zhuǎn)移受構(gòu)筑濕地內(nèi)部的水力學(xué)特征影響，從而直接影響污水凈化效果[14]。并且，在一定范圍內(nèi)，隨著HRT的增加，NH4+-N及TP的去除率在提高，但達(dá)到某一階段后，NH4+-N及TP的去除率反而會隨著水力停留時間的延長而減小。這是因?yàn)樵谇耙浑A段NH4+-N能與基質(zhì)充分有效接觸，充足的氧氣促進(jìn)了硝化反應(yīng)，所以NH4+-N去除率會變高。但達(dá)到最佳值后，隨著HRT的增加，系統(tǒng)處于嚴(yán)重缺氧的狀態(tài)，硝化反應(yīng)受到了阻礙，因此NH4+-N去除率基本保持不變或緩慢下降。這與王世和等在水力停留時間對NH4+-N去除率的研究中所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果[15]是相一致的。對TP而言可能是因?yàn)闀r間不夠，反應(yīng)不充分;時間過長，易形成污水滯留，也有研究表明水力負(fù)荷的改變?nèi)菀滓餞P去除率的變化，這種變化是敏感的，而且TP去除率會在濕地基質(zhì)吸附交換達(dá)到平衡后顯著減小[16]。

3.2 三種基質(zhì)及其組合配比對生活污水pH的影響

本試驗(yàn)中經(jīng)模擬的垂直流人工濕地凈化的生活污水的pH波動不大，數(shù)值在6.3左右。這說明不同基質(zhì)及組合配比對生活污水凈化后的pH影響不大，但并不能斷定為毫無影響，因?yàn)楸驹囼?yàn)中的pH是用pH試紙測定的，存在一定的誤差。但生活污水的pH會影響污水中NH4+-N及TP的去除率：影響NH3和NH4+在生活污水里的平衡轉(zhuǎn)換;影響濕地沉積物磷的釋放從而影響磷的去除效果。

4 結(jié)論

三種基質(zhì)及其組合配比對NH4+-N、TP的去除率及pH存在一定差異，其中，TP的平均去除率較高，NH4+-N的平均去除率較低，而對pH沒有明顯的影響。Ⅰ系統(tǒng)NH4+-N的平均去除率最高;Ⅴ系統(tǒng)TP的平均去除率最高，其次為Ⅰ。本試驗(yàn)中最佳的基質(zhì)配比是系統(tǒng)Ⅰ，且Ⅰ系統(tǒng)在1 d時NH4+-N去除率最高，在5 d時TP去除率最高。

各系統(tǒng)在0.5～9 d的HRT下，對NH4+-N、TP去除率均存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即存在最佳的水力停留時間。在一定范圍內(nèi)，隨著水力停留時間的增加，NH4+-N及TP的去除率在提高，但到達(dá)某一階段后，NH4+-N及TP的去除率反而會隨著水力停留時間的延長而減小。

雖然對于某些基質(zhì)來說，基質(zhì)組合的裝填方式會降低某種污染物的去除率，但從宏觀上結(jié)合多個污染物指標(biāo)來看，基質(zhì)組合的裝填方式更有利于大多數(shù)污染物的去除，如本試驗(yàn)中Ⅰ系統(tǒng)對NH4+-N及TP均表現(xiàn)出了較高的去除率，而裝置Ⅴ雖然對TP表現(xiàn)出很高的去除率，但單一的爐渣并不能滿足植物的生長要求，需要將其與其他基質(zhì)混合使用，才能發(fā)揮出其實(shí)際意義。

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