基于多孔陶粒的微濕地裝置設(shè)計(jì)及性能研究

孫珊珊　李瑤　趙夢(mèng)園　殷政　孫蘇豫

摘? 要：文章針對(duì)城市生活污水治理問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種具有污水處理和環(huán)境欣賞雙重功能的微濕地裝置，并研究裝置凈化污水的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微濕地裝置對(duì)含重金屬銅離子和氨氮的污水具有良好的凈化效果，運(yùn)行七天的去除率分別可以達(dá)到82.88%和62.98%。

關(guān)鍵詞：微濕地裝置;設(shè)計(jì);性能

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）17-0045-02

Abstract： In this paper， aiming at the problem of urban domestic sewage treatment， a micro-wetland device with dual functions of sewage treatment and environmental appreciation is designed， and the effect of sewage purification is studied. The experimental results show that the micro-wetland device has a good purification effect on the sewage containing heavy metal copper ions and ammonia nitrogen， and the removal rates can reach 82.88% and 62.98% respectively after seven days of operation.

Keywords： micro-wetland device; design; performance

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市生活污水排放量逐年增加，水環(huán)境惡化形勢(shì)嚴(yán)峻，也直接或間接威脅人類本身，嚴(yán)重影響人們健康生活。近年來(lái)，針對(duì)水污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，政府逐步加大了對(duì)水污染的治理力度，積極推進(jìn)污水處理設(shè)施建設(shè)和污水處理技術(shù)研究。污水治理技術(shù)種類繁多，但是化學(xué)藥品的使用會(huì)產(chǎn)生二次污染，而單一水生植物凈化污水的周期較長(zhǎng)、效率較低、管理復(fù)雜。人工濕地處理技術(shù)是一個(gè)新興的污水處理工藝，具有建設(shè)投資少、運(yùn)行能耗低、凈化效果好、利于生態(tài)恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，起凈化作用的水生植物還可作為觀賞美化植物。本文借鑒人工濕地處理技術(shù)的工作原理，構(gòu)建一種兼?zhèn)湮鬯幚砗铜h(huán)境欣賞的微濕地生態(tài)系統(tǒng)裝置，并進(jìn)行裝置處理污水的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

人工濕地的概念是德國(guó)學(xué)者Seidel于1966年構(gòu)建蘆葦濕地處理生活污水時(shí)首次提出的，主要由水體、基質(zhì)、水生植物、微生物等部分組成。其中，水生植物和基質(zhì)是人工濕地最基本的構(gòu)成要素，濕地的凈化功能一般依靠系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來(lái)完成。

陶粒因具有較大比表面積、豐富孔隙結(jié)構(gòu)及較低重金屬浸出毒性等特點(diǎn)，已被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于污水處理中，可以作為人工濕地的基質(zhì)。硅藻土作為一種天然礦物，其微孔結(jié)構(gòu)的直徑主要分布在100～300nm、邊緣孔徑為30～80nm、孔隙率達(dá)80～90%，能吸收其本身質(zhì)量1.5～4倍的水，可以作為燒制陶粒的基礎(chǔ)材料。

水生植物通過(guò)直接吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉降等作用可以分解、吸收水體中氮、磷、有機(jī)物和重金屬等污染物質(zhì)。氮、磷被吸收后用以合成植物自身的物質(zhì)，供其生長(zhǎng)代謝，而一些重金屬和有機(jī)物被儲(chǔ)存于植物體內(nèi)或在植物體內(nèi)被降解。研究表明，綠蘿有著較好的過(guò)濾體系和較強(qiáng)凈化能力，可以吸收富集污水中無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和重金屬等污染物質(zhì)。

污水進(jìn)入微濕地裝置，在微型人工濕地中硅藻土基多孔陶粒、水生植物綠蘿和微生物的協(xié)同作用下，污染物質(zhì)被吸附分解，從而得到清水。

2 微濕地裝置的設(shè)計(jì)

2.1 多孔陶粒的制備

用硅藻土為主要原料，并添加一定量的成孔劑、助熔劑、粘合劑，經(jīng)手工成球、陳化、干燥、焙燒制備出硅藻土基多孔陶粒。（1）原料試劑。a.成孔劑。選擇碳酸鈉為成孔劑。b.助熔劑。選擇碳酸鎂、碳酸鈣為助熔劑。c.粘合劑。選擇粘土、硅酸鈉為粘合劑。（2）工藝流程。將硅藻土過(guò)100目篩，105℃烘干2h備用。按一定配比加入不同成孔劑和助熔劑，經(jīng)10min以上研磨混料后，加粘合劑攪拌均勻，手工捏制成3-6mm的球狀，用保鮮膜包覆陳化24h后，放入烘箱105℃干燥2h;干燥后的料球，移入馬弗爐中進(jìn)行焙燒;到達(dá)焙燒溫度和保溫時(shí)間后，關(guān)閉箱式智能電阻爐的電源，自然冷卻至室溫，即得到多孔陶粒成品。

2.2 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微濕地裝置由微濕地凈化反應(yīng)單元和智能水位監(jiān)控單元兩個(gè)部分組成。其中，微濕地凈化反應(yīng)單元包括進(jìn)水池、過(guò)濾池、凈化池、處理池和接水池等;智能水位監(jiān)控單元包括ST89C52型單片機(jī)、壓力傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器和水泵等。微濕地凈化反應(yīng)單元凈化池中可以放置多孔陶粒，可以吸附污水中重金屬、氨氮、磷等物質(zhì)，并緩慢釋放給水生植物和微生物;智能水位監(jiān)控單元可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凈化池的水位高度，并進(jìn)行智能進(jìn)水。具體如圖1所示。

3 微濕地裝置的性能實(shí)驗(yàn)

城市辦公場(chǎng)所水體中污染物質(zhì)種類較少、含量較低，重金屬銅離子主要來(lái)源于輸水管道和閥門，氨氮主要來(lái)源于洗滌用品的使用?？紤]到微濕地裝置的實(shí)際應(yīng)用情況，其性能實(shí)驗(yàn)主要考察對(duì)城市辦公場(chǎng)所中低濃度的含重金屬銅離子和含氨氮污水的凈化處理效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

為了避免實(shí)際污水其他成分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)采用模擬廢水。用CuSO4配制1.0mg/L的銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液;用NH4Cl配制0.1mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

UV-1240型紫外分光光度計(jì)、SQ-CN208A型氨氮測(cè)定儀。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）裝置對(duì)銅離子凈化實(shí)驗(yàn)。以1.0mg/L的銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液為原水，進(jìn)入裝置，達(dá)到合理高度，停留24h后，開(kāi)啟“自動(dòng)注水”功能，裝置外的原水通過(guò)水泵進(jìn)入裝置，促使水體通過(guò)池體之間的圓形連通孔流動(dòng)，模擬人工濕地的表面流、垂直潛流過(guò)程，進(jìn)而在裝置內(nèi)的接水池中得到清水。取出清水后用0.45um濾膜過(guò)濾，然后用UV-1240型紫外分光光度計(jì)測(cè)量濾液最大波長(zhǎng)處的吸光度（銅離子的λmax=546nm）。根據(jù)朗伯比爾定律，最大波長(zhǎng)處的吸光度與濃度存在線性關(guān)系，再依據(jù)公式（1）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的銅離子去除率η。裝置一共運(yùn)行7天。

η=[（D0-Dt）/D0]? ? ? ? （1）

式中，為銅離子的去除率，D0為原水吸光度，Dt為凈化后濾液吸光度。

（2）裝置對(duì)氨氮凈化實(shí)驗(yàn)。以0.1mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液為原水，進(jìn)入裝置，達(dá)到合理高度，停留24h后，開(kāi)啟“自動(dòng)注水”功能，裝置外的原水通過(guò)水泵進(jìn)入裝置，促使水體通過(guò)池體之間的圓形連通孔流動(dòng)，模擬人工濕地的表面流、垂直潛流過(guò)程，進(jìn)而在裝置內(nèi)的接水池中得到清水。取出清水后離心，然后用SQ-CN208A型氨氮測(cè)定儀測(cè)定上清液中的氨氮含量。裝置一共運(yùn)行7天。

3.4 結(jié)果與分析

（1）裝置對(duì)銅離子凈化效果。不同時(shí)間裝置對(duì)銅離子的去除率如圖2所示。微濕地裝置第1天對(duì)原水中銅離子的去除率就達(dá)到58.02%，運(yùn)行了一段時(shí)間后，原水中的銅離子去除率逐漸增加并趨于平緩，第7天去除率為82.88%。隨著裝置中多孔陶粒對(duì)銅離子吸附量的增加，金屬離子之間產(chǎn)生的斥力增強(qiáng)，銅離子進(jìn)入多孔陶粒微孔的阻力增大，同時(shí)，水生植物富集銅離子能力有限，所以去除率逐漸增加后趨于平緩。結(jié)果表明，微濕地裝置對(duì)于銅離子有著良好的凈化效果。

（2）裝置對(duì)氨氮凈化效果。不同時(shí)間裝置對(duì)氨氮的去除率如圖3所示。微濕地裝置第1天對(duì)原水中氨氮的去除率僅為0.22%，運(yùn)行了一段時(shí)間后，原水中的氨氮才明顯降低，第7天去除率達(dá)到62.98%。另外，去除率出現(xiàn)起伏現(xiàn)象，可能由于原水中的有機(jī)氮在好氧的條件下水解為氨氮，反而增加了水體中氨氮量。結(jié)果表明，微濕地裝置對(duì)于氨氮有著良好的凈化效果。

4 結(jié)論

微濕地生態(tài)系統(tǒng)是改善人類生存環(huán)境的一種新型模式。借鑒其工作原理，設(shè)計(jì)的微濕地裝置對(duì)含重金屬銅離子和氨氮的污水具有良好的凈化效果，運(yùn)行七天的去除率分別可以達(dá)到82.88%和62.98%。城市中眾多單位辦公場(chǎng)所產(chǎn)生的大量低污染程度污水使用裝置進(jìn)行有效處理后再排放，既可以提高城市生活污水處理效率，又可以利用微濕地中水生植物吸附污染物，從而實(shí)現(xiàn)了“凈化污水、美化環(huán)境、簡(jiǎn)化管理”的功能。

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