人工湿地中不同填料理化性质的研究

侯佳

（天津市南水北调曹庄管理处，天津　300112）



人工湿地中不同填料理化性质的研究

侯佳

（天津市南水北调曹庄管理处，天津300112）

摘 要：人工湿地生态处理作为一种自然生物处理方法，可以改进生态结构，促进物质能量的循环。填料是人工湿地的重要组成部分，湿地中的填料一方面为微生物生长提供稳定的依附表面，同时也为水生植物生长提供了载体和营养物质。选择天津地区常见、经济上可行的人工湿地基质填料为研究对象，通过室内试验测定它们的理化性质，为后续潜流人工湿地系统的建立选择合适的基质填料提供理论依据。通过研究比较，认为将页岩与粗砾石组合使用是一个双赢的填料选择方案。

关键词：人工湿地；填料研究；理化性质；填料粒径；干容重；孔隙率

人工湿地是一个综合的生态系统，作为一种自然生物处理方法，能够改进生态结构，促进物质能量的循环。它主要是利用生态系统中物种共生、物质循环再生的原理和结构与功能协调的原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。

笔者选择天津及周边地区常见的以及经济上可行的人工湿地基质填料为研究对象，通过室内试验测定它们的理化性质，为后续潜流人工湿地系统的建立选择合适的基质填料提供可靠的理论依据。填料是人工湿地的重要组成部分，湿地中的填料一方面为水生植物生长提供了载体和营养物质，同时也为微生物的生长提供了稳定的依附表面。此外，填料本身也可以通过一些物理或化学的方法（如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等）来去除污水中的N、P等物质。在潜流人工湿地体系的构建中，填料的选择有着非常重要的作用和意义。

1试验材料与方法

供试填料有粗砾石、细砾石、铁矿石、页岩。将上述待测填料先用自来水清洗干净，至pH值不变为止，然后用去离子水浸泡24 h，最后放到电热恒温干燥箱烘干备用。

1.1孔隙率η测定

将待测填料装入1 000 mL量筒压实至1 000 mL刻度线，然后向量筒中缓慢加水，直至水面线稳定在1 000 mL刻度线为止，将每次加入的水量体积求和计算加入水量总体积。根据加水量的总体积V水及填料柱总体积V总，按下式计算每种填料的孔隙率：

1.2干容重ρ测定

取一定体积的待测填料，用电子秤称量其质量。根据所得填料的质量M和填料体积V，按下式计算每种填料的干容重：

1.3水力渗透系数K测定

水力渗透系数K测定原理为达西定律，试验装置为达西渗透仪，如图1所示。达西渗透仪高130 cm，内径10 cm，在10、20、110、120 cm处设置4根测压管，其中中间2根主要用来测定填料渗透系数、其余2根起对比检验结果的作用，测压管管径10 mm。在渗透仪的底部5 cm处设置1个带孔隔板，用于透水及防止填料随水流冲走流失。测定渗透系数前，先用自来水将填料浸润24 h，使填料充分湿润并排出填料孔隙中的空气，然后用复兴河河水作为试验用水。试验过程中通过控制阀使水缓流经过达西渗透仪中的填料柱，多余的水通过溢流以保持水位的稳定，并记录水位稳定后水流流经填料柱的流量和各测压管的水压。开始时先测定水流方向向下时的水流流量及各测压管的水压，每次测定时1种填料测定4个不同流量水平，1个流量水平重复进行4次。为测定水流方向对填料渗透系数的影响，通过改变水流方向（即下面进水、上面出水）重复上述试验。

图1 达西渗透仪

根据水头损失及其对应流量测定结果，按下述公式计算每组测验的水力渗透系数：

式中：K为水力渗透系数（cm/s）；ΔL为两测压管间的距离（cm）；ΔH为水流经两测压管间的水头损失（cm）；H1，H2分别为两测压管的水压（Pa）；Q为水流通过填料柱的流量（mL/s）；A为填料柱截面积（cm2）。

之后，将同种填料的水力渗透系数测定结果进行平均，作为该填料的水力渗透系数。

1.4粒径级配测定

取烘干后的填料若干，用不同孔径土壤筛对上述待测填料进行筛分，记录各粒径填料的质量，计算不同粒径填料质量占总质量的百分比。

2　结果与分析

2.1填料粒径级配分析

按上述粒径级配测定方法，测得铁矿石、粗砾石、细砾石和页岩填料的粒径分布，如图2—5所示。

图2 铁矿石级配曲线

图3 粗砾石级配曲线

图4 页岩级配曲线

图5 细砾石级配曲线

从图2—5可以看出，不同的填料粒径分布是不同的，其级配曲线形状也不同。页岩粒径分布较均匀；粗砾石与细砾石粒径分布单一，大约70%左右的颗粒分别分布在10～20、7～10 mm。

2.2填料干容重及孔隙率分析

根据干容重和孔隙率的测定方法，测定4种待测填料的干容重和孔隙率，结果见表1。

表1　各种填料干容重和孔隙率

根据表1可知，待测填料中粗砾石的孔隙率最大，其次是页岩、细砾石和铁矿石；铁矿石的干容重最大，页岩最小。综合考虑干容重和孔隙率，发现页岩是一种轻质多孔、持水性较好的填料，适合对污染物吸附去除，而铁矿石可能最不宜作为吸附填料。

2.3填料水力渗透系数分析

本试验在室内室温20℃条件下进行，试验材料分别选取粗砾石、细砾石、铁矿石、页岩4种单一填料以及粗砾石与铁矿石混合、铁矿石与细砾石混合、页岩与粗砾石混合3种混合填料共7种试验填料进行测定。填料装好后先用自来水浸泡过夜，然后以复兴河水（COD91.21mg/L、TN6.07mg/L、TP1.20mg/L）作为试验用水。为了解水流方向对水力渗透系数的影响，试验过程中分别测定了向上流和向下流2种水流方向上的水力渗透系数，测定结果见表2。

表2　不同填料水力渗透系数测定结果cm/s

从表2可以看出，7种填料中粗砾石水力渗透系数最大，混合填料中细砾石与铁矿石混合填料水力渗透系数最小。单一填料水力渗透系数从大到小的排序为：粗砾石＞铁矿石＞细砾石＞页岩。单一填料粗砾石水力渗透系数较大的原因主要是其平均粒径相对较大，并且粒径分布较为单一，主要集中在10～25 mm；而铁矿石和页岩填料尽管平均粒径也相对较大，与粗砾石基本相同，但二者由于粒径粗细不均匀，致使其水力渗透系数值减少，尤其是页岩，由于各种粒径的颗粒参杂、所占比例比较均匀，其水力渗透系数值最小。细砾石虽然粒径分布较为单一，但由于其平均粒径较小，其水力渗透系数也相对较小。

此外，混合填料的水力渗透系数都在各单一填料的水力渗透系数之间。水流方向不同，水力渗透系数也不同，水流向上的K值相比水流向下的K值要大。因此，在计算统计复合垂直流人工湿地水头损失时，上行流和下行流应该分别进行计算，这样得出的结果才较为科学合理。

3　小结

通过对不同填料的理化性质试验，对比了页岩、粗砾石、铁矿石、细砾石以及它们组合的理化性质，得出结论：单一填料中的细砾石物理性质优越，但去污能力有限，不满足人工湿地长期运行净化污水的要求；页岩是较为理想的人工湿地去污填料；粗砾石、铁矿石虽然污染物的去除率不算太高，但二者的颗粒较粗、透水性较好、强度也较高，可以考虑作为人工湿地的基质来进行使用。而在组合填料中，铁矿石与粗砾石的组合去污性能较差，而页岩与粗砾石的组合具备较强的TN、TP去除能力。此外，单一填料页岩强度低、透水性较差，作为单一填料长期使用可能会导致堵塞，进而造成污水短路或出现死水区现象。因此，将页岩与粗砾石组合使用应是一个双赢的填料选择方案。

人工湿地生物生态集成技术具有运行成本低、出水水质好等优点，可以实现我国村镇生活污水的处理和资源的再生利用，有利于全面落实科学发展观、建设生态小城镇和文明村，同时可以大力提升我国广大农村的环境质量，因此具有较大的应用价值和推广的前景。

参考文献

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中图分类号：X524

文献标识码：A

文章编号：1004-7328（2016）03-0057-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.018

收稿日期：2016—01—29

作者简介：侯佳（1983—），女，工程师，主要从事南水北调输水运行管理工作。