生物炭折流濕地對(duì)生活污水的凈化效果

王若凡，汪文飛，王煜鈞，孫鶴洲，劉傲展

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州730070）

我國(guó)西北農(nóng)村地區(qū)低溫期較長(zhǎng)，生活污水水質(zhì)日變化系數(shù)大，人工濕地的填料在其處理污水過(guò)程中起主導(dǎo)作用，因此在濕地系統(tǒng)中填料對(duì)污染物的截留吸附特性和其內(nèi)部的水力特性是決定濕地對(duì)污染物去除效率的關(guān)鍵因素[1]。現(xiàn)有的研究表明，生物炭具有較大的比表面積和較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可為微生物提供良好的生存空間，并具有很強(qiáng)的吸附性。生物炭在土壤重金屬的修復(fù)和廢水處理得到了廣泛的應(yīng)用。如徐德福等[2]研究表明生物炭能夠顯著增加人工濕地中的植物根系生物量，提高溶解氧含量。王寧等[3]研究表明生物炭投加可強(qiáng)化曝氣濕地系統(tǒng)脫氮能力，實(shí)現(xiàn)N2O氣體減排。Saeed等[4]研究表明生物炭和粉碎砂漿組合可實(shí)現(xiàn)人工濕地對(duì)廢水的高效處理。但僅用生物炭作濕地填料的研究較少，本研究的宗旨是以生物炭為填料構(gòu)建折流人工濕地處理生活污水，并結(jié)合西北地區(qū)年平均氣溫特征，待其穩(wěn)定運(yùn)行后，確定折流濕地的最佳水力停留時(shí)間（HRT），考察濕地沿程對(duì)去污性能的影響，分析生物炭對(duì)各污染物的去除效果和微生物的降解過(guò)程；然后對(duì)其運(yùn)行監(jiān)測(cè)12個(gè)月，初步評(píng)價(jià)生物炭應(yīng)用于折流濕地處理污水的可行性，以為西北地區(qū)農(nóng)村分散式生活污水處理和人工濕地模型建立提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

生物炭購(gòu)買于當(dāng)?shù)鼗钚蕴繌S，該生物炭由農(nóng)業(yè)秸稈經(jīng)風(fēng)化、破碎后，放入馬弗爐中，以10℃·min-1的升溫速度，從室溫加熱到500℃炭化3 h，而后冷卻至室溫裝瓶備用，其物理性質(zhì)[5-6]見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 折流濕地裝置

采用潛流濕地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)建水平折流濕地，以生物炭為填料構(gòu)建濕地系統(tǒng)。如圖1所示，垂直方向分別是5 cm的承托層（粒徑15～25 mm的礫石），30 cm的主填料層（下層20 cm、上層10 cm，分別由粒徑6～8 mm和4～5 mm的生物炭填料構(gòu)成），10 cm的土壤層（過(guò)10目篩的均勻黃土），濕地植物為株高0.3～0.7 m的蘆葦，每平方米20棵。水平方向是由5個(gè)隔室、進(jìn)水池和出水池組成，每個(gè)隔室的長(zhǎng)×寬×高=60 cm×20 cm×50 cm，其可處理污水容積為20 L。進(jìn)水池鋪設(shè)高15 cm、粒徑10～15 mm的礫石，對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理。濕地進(jìn)水為居民區(qū)的生活污水（參數(shù)見表2），由進(jìn)水池均勻投配，逐步通過(guò)5個(gè)隔室，經(jīng)填料層到達(dá)出水池的收集管排出。

圖1折流濕地結(jié)構(gòu)Figure 1 Baffled constructed wetland structure

1.2.2 折流濕地對(duì)污染物處理效果的研究

（1）HRT對(duì)生活污水處理的影響

折流濕地運(yùn)行穩(wěn)定后，分別在0.25、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 d追蹤測(cè)定出水溫度、pH、化學(xué)需氧量（COD）、-N、-P和懸浮物（SS）的含量，確定濕地的HRT，分析生物炭床對(duì)生活污水的降解作用。

（2）沿程對(duì)生活污水處理的影響

在最佳HRT下，分別測(cè)定濕地沿程在0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 m的出水溫度、pH、COD、NH+4-N、PO34--P和SS的含量，分析沿程對(duì)生物炭床處理生活污水的影響。

（3）折流濕地穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

在最佳HRT和沿程的條件下，以每2.5 d為一個(gè)處理周期，折流濕地運(yùn)行12個(gè)月，總計(jì)年處理污水量為2.920 m3。不定期地監(jiān)測(cè)濕地進(jìn)出水溫度、pH、COD、-N、-P和SS的變化，分析其運(yùn)行參數(shù)和穩(wěn)定性。

表1生物炭的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of biochar

表2折流濕地進(jìn)水參數(shù)Table 2 Influent parameters of baffle wetland

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定

COD采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，NH+4-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，PO3-4-P采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，SS采用重量法測(cè)定，具體操作步驟詳見《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[7]。

研究結(jié)果均采用OriginPro 8.0及SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同HRT對(duì)生活污水處理的影響

在水溫8～12℃條件下，采用間隔配水方式不間斷地投加生活污水，并進(jìn)行微生物掛膜處理，觀察濕地出水水質(zhì)，待濕地去除性能趨于穩(wěn)定后，進(jìn)行折流濕地對(duì)各污染物的去除實(shí)驗(yàn)。由圖2可知，折流濕地對(duì)各污染物的去除率與HRT的增加呈顯著正相關(guān)（R2＞0.90，P＜0.05）。在2.5 d之前，各污染物的含量明顯降低，COD和-N的去除率相比于-P和SS的去除斜率較大，去除率明顯上升。其一，是因?yàn)镾S在濕地前段被沉淀、過(guò)濾截留-P被生物炭吸附去除，Kizito等[8]在對(duì)生物炭的研究中也證實(shí)生物炭對(duì)磷具有一定的吸附作用；其二，是因?yàn)樯锾靠勺鳛槲⑸锏墓潭ɑd體，保護(hù)其在不利環(huán)境因素下的活動(dòng)[9]，通過(guò)提升微生物新陳代謝的穩(wěn)定性來(lái)提高濕地系統(tǒng)對(duì)COD和-N的去除率，并且Mohan等[10]研究表明，生物炭對(duì)-N具有一定的吸附能力；其三，是因?yàn)樯锾烤哂懈咛己?，為異氧生物提供反硝化碳源；其四，可能是因?yàn)樯锾績(jī)?nèi)部可以形成缺氧環(huán)境導(dǎo)致反硝化作用形成。在2.5 d之后，水中各污染物的去除率趨于平緩，是因?yàn)闈竦叵到y(tǒng)中的溶解氧源于進(jìn)水過(guò)程，而隨著濕地運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，溶解氧被逐漸消耗，濕地內(nèi)部硝化作用受到了抑制[11]，導(dǎo)致濕地對(duì)污染物的去除趨于平緩。綜合考慮處理效率和經(jīng)濟(jì)效益，宜選2.5 d為折流濕地去除污染物的最佳HRT，在此條件下，折流濕地出水中COD-N、-P、SS的去除率分別為90.51%、72.38%、90.73%、94.57%，這與程龍等[12]以折流式潛流人工濕地對(duì)氮磷的凈化效果的HRT相似。

圖2污染物濃度隨時(shí)間的變化Figure 2 The change of pollutants concentration over time

2.2 不同沿程對(duì)生活污水處理的影響

在水溫8～12℃和最佳HRT的條件下，折流濕地出水中各污染物的去除率隨沿程的變化如圖3所示。濕地沿程的增加與各污染物的去除率呈顯著正相關(guān)（R2＞0.97，P＜0.05）。在1.2 m之前，污染物的去除率迅速上升，這一方面是因?yàn)槲鬯畡傔M(jìn)入生物炭床時(shí)由水體帶入溶解氧，供氧水平較高，微生物降解速率較快，使得污染物的去除率提高；另一方面是因?yàn)樯锾看矊?duì)污染物具有截留、沉淀作用。在1.2～3.0 m時(shí)，各污染物的去除率呈緩慢上升趨勢(shì)，NH+4-N去除率偏低。這是因?yàn)榘被磻?yīng)快于硝化反應(yīng)，進(jìn)水中溶解氧在濕地前段大量被氨化消耗，濕地中后段呈現(xiàn)缺氧（或厭氧）環(huán)境，硝化反應(yīng)被嚴(yán)重抑制，呈現(xiàn)出高-N積累的特征[13]-N去除率低。因此，折流濕地對(duì)污染物的去除前段最為明顯；在3.0 m時(shí)，濕地對(duì)COD、-N、-P、SS的去除率分別為90.00%、67.46%、86.24%、96.30%，這與黃有志等[14]以表流人工濕地對(duì)污水去除的研究結(jié)論一致。

圖3污染物濃度隨沿程的去除率Figure 3 The removal rate of pollutants concentration along the way

2.3 折流濕地穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

圖4折流濕地對(duì)污染物的去除Figure 4 The removal of pollutants by baffled wetland

在HRT為2.5 d，沿程為3.0 m的條件下，將折流濕地連續(xù)運(yùn)行12個(gè)月，濕地對(duì)污染物的去除如圖4所示。隨著濕地運(yùn)行時(shí)間的增加，各污染物的去除率整體呈上升趨勢(shì)。運(yùn)行過(guò)程中-P和SS的去除率波動(dòng)幅度較小，COD和NH+4-N的去除率隨著月份的增加先上升后下降，在7月達(dá)到峰值，分別為94.7%和91.73%。折流濕地對(duì)各污染物的去除率夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季相比于冬季濕地對(duì)COD、-N、-P、SS的去除率分別提高了0.12、0.21、0.08、0.02倍，這與王學(xué)華等[15]研究的人工濕地污染物去除率隨季節(jié)變化的結(jié)論一致。主要原因是：溫度等外界條件因素對(duì)-P和SS去除的影響較小，其主要是靠生物炭床吸附、過(guò)濾、沉淀和離子交換等物理化學(xué)作用去除；COD和-N的去除除了物理化學(xué)作用外，在濕地系統(tǒng)中還要通過(guò)微生物的同化作用去除，而濕地進(jìn)水中污染物濃度不穩(wěn)定，使得生物炭床中微生物群落受到?jīng)_擊，微生物新陳代謝不穩(wěn)定[16]；夏季到冬季過(guò)渡時(shí)，環(huán)境溫度逐漸變低，濕地系統(tǒng)中溫度也相應(yīng)降低，導(dǎo)致微生物活性下降；此外，生物炭床上的生物膜經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，膜加厚，內(nèi)部出現(xiàn)厭氧產(chǎn)酸，導(dǎo)致生物膜脫落，填料堵塞；因此，出現(xiàn)了COD和-N的去除率降低的現(xiàn)象。折流濕地經(jīng)過(guò)12個(gè)月的運(yùn)行，對(duì)COD、-N-P、SS年平均去除率分別為88.16%、83.16%、92.55%、96.30%，出水中COD-P、SS的含量均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)穩(wěn)定。所以，運(yùn)用折流濕地處理常規(guī)的生活污水能夠達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，且確保出水達(dá)標(biāo)排放。

2.4 污染物隨HRT和沿程變化的動(dòng)力學(xué)模型

人工濕地在對(duì)污染物的降解過(guò)程中，主要考慮處理負(fù)荷與去除效率之間的關(guān)系，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)常用于描述潛流人工濕地對(duì)污染物的去除規(guī)律[17-18]。通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型可以擬合出最適的工藝參數(shù)，以用于優(yōu)化生化處理的條件，預(yù)計(jì)微生物降解污染物的趨勢(shì)，其直線方程如公式（1）和公式（2）所示。

式中：kv為污染物體積去除速率常數(shù)，d-1；C0為進(jìn)水濃度，mg·L-1；Ce為出水濃度，mg·L-1；a為污水在折流濕地中的停留時(shí)間或沿程，d或m。

隨運(yùn)行時(shí)間和沿程的增加，折流濕地系統(tǒng)中污染物濃度呈下降趨勢(shì)。以ln（Ce/C0）為縱坐標(biāo)，以時(shí)間t和沿程l為橫坐標(biāo)，繪制一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合圖，得到擬合數(shù)據(jù)。由表3可知，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)折流濕地處理COD、-P、SS的擬合過(guò)程相比于-N處理的擬合過(guò)程要好（R2＞0.91），表明一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠更好地描述折流濕地對(duì)COD-P、SS的生化降解過(guò)程，這與HRT和沿程對(duì)生活污水處理影響所得結(jié)論一致。這也進(jìn)一步說(shuō)明了生物炭由于其孔隙率大、比表面積大，更有利于微生物在其表面附著，提高微生物的穩(wěn)定性；碳源充足，為反硝化提供充足的電子供體[19]；滲透系數(shù)小，可延長(zhǎng)水力停留時(shí)間[5]，從而極大地提高了生物炭折流濕地對(duì)污染物的去除率。

將折流濕地的HRT為第2.5 d和沿程為3.0 m時(shí)的COD-N-P、SS測(cè)定結(jié)果代入公式（2），計(jì)算出kv值，結(jié)果如表3所示。kv的大小代表以生物炭為填料的折流濕地對(duì)各污染物降解速率的大小[20]，由表3可知，在HRT為2.5 d時(shí)，速率常數(shù)的大小順序?yàn)镾S＞-P＞COD＞-N；沿程為3.0 m時(shí)，速率常數(shù)的大小順序?yàn)镾S＞COD＞-P＞-N，以上各污染物的kv值普遍高于袁敏等[21]（kv：0.218～0.543 d-1）和Huang等[22]（kv：0.089～0.139 d-1）的研究[21-22]，接近于王小曉等[23]（kv：0.354～1.999 d-1）的研究，表明生物炭作為折流濕地填料對(duì)各污染物中SS的降解速率最大。因此，生物炭折流濕地能夠更好地去除污水中的污染物，達(dá)到有效凈化生活污水的目的。

表3折流濕地去除污染物的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程Table 3 First-order kinetic equation for pollutants removal from baffle wetland

3 結(jié)論

（1）在水溫8～12℃條件下，折流濕地的最佳HRT為2.5 d，在此條件下，濕地對(duì)COD、-N-P、SS的去除率分別為90.51%、72.38%、90.73%、94.57%。HRT和沿程的增加與折流濕地對(duì)各污染物的去除率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

（2）折流濕地經(jīng)過(guò)12個(gè)月的運(yùn)行，對(duì)各污染物的去除率為夏季＞秋季＞春季＞冬季，對(duì)COD-N、P、SS的年平均去除率分別為88.16%、83.16%、92.55%、96.30%，且出水水質(zhì)穩(wěn)定。

（3）一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型表明折流濕地系統(tǒng)對(duì)COD、PO3-4-P、SS具有明顯的生化降解作用，R2在0.91以上，且對(duì)SS的降解速率最大。

（4）綜合折流濕地對(duì)生活污水的去除效果和生化降解的研究結(jié)果，選取生物炭作為折流濕地填料，可應(yīng)用于污水處理一級(jí)模塊，并且能夠達(dá)到有效處理西北地區(qū)分散式農(nóng)村生活污水的目的。