表面水力负荷对锰渣陶瓷球填料人工湿地的影响研究*

成 昊 叶 芬# 宋谋胜

(1.铜仁学院材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300；2.铜仁市创建国家环境保护模范城市办公室，贵州 铜仁 554300)

表面水力负荷对锰渣陶瓷球填料人工湿地的影响研究*

成 昊1,2叶 芬1,2#宋谋胜1

(1.铜仁学院材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300；2.铜仁市创建国家环境保护模范城市办公室，贵州 铜仁 554300)

云贵高原地区农村面源污染严重。参照贵州铜仁农村面源污水配制模拟污水，研究了表面水力负荷对锰渣陶瓷球填料人工湿地的影响。结果表明，该人工湿地的最佳表面水力负荷为0.55m3/(m2·d)，此时COD、氨氮、硝态氮和TP去除率分别为90.12%、76.45%、70.04%、87.48%。以锰渣陶瓷球代替砾石作为人工湿地填料能显著提高人工湿地对污染物的去除能力。

锰渣陶瓷球 人工湿地 农村面源污染 铜仁

面源污染是相对于点源污染而言的，又可称为非点源污染。由于农村面源污染分布区域广、种类繁多，所以相比工业废水处理难度更大。目前，面源污染成为破坏水环境的主要原因[1]，在我国输入湖泊的污染物约50%(质量分数)来源于面源污染[2]。尤其是我国云贵高原一带，山峦起伏，地形不平，山区面积达90%以上[3]，受当地自然、经济、社会及历史发展因素的共同作用，农村居民点的分布长期处于自发选择状态，缺乏统一规划管理，呈现“散、脏、乱、小、差”的特点[4]。伴随着城镇化发展，人们的生活水平得到提高，人为产生的固体废弃物在种类和数量上均逐渐增加。就地处理农村面源污染，因地制宜地将污水进行资源化利用，有利于物质的自然循环[5]。

本研究拟采用垂直潜流(VF)/水平潜流(HSF)复合人工湿地(以下简称人工湿地)治理农村面源污染，同时利用固体废弃物锰渣制备锰渣陶瓷球替代砾石作为填料。锰渣陶瓷球填料人工湿地具有以下优点：与当地环境融合；利用基质、微生物、植物的协同作用，具有较好的污水处理与净化能力，防止二次污染[6-7]；实现固体废弃物的再生利用。

1 材料与方法

1.1 人工湿地

共设置1#和2#两套人工湿地，均根据《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005—2010)设计。相比1#人工湿地，2#人工湿地利用锰渣陶瓷球替代砾石作为中间层填料，VF段替代比例(以面积占比计，下同)为50.00%，HSF段替代比例为38.46%。选择轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)、菖蒲(Acoruscalamus)和美人蕉(Cannageneralis)作为湿地植物。人工湿地剖面图如图1所示，人工湿地的填料和植物铺设如表1所示。

表1 人工湿地构造

注：1)菖蒲占20%，美人蕉占80%。

图1 人工湿地剖面图Fig.1 Profile diagram of artificial wetland

在人工湿地前段安装1个水塔，借助地势落差使污水进入到人工湿地；进水口附近安装蝶阀和浮子流量计(量程为4～40 L/h)，通过蝶阀调节进水流量并控制污水的停留时间；出水口安装了蝶阀和浮子流量计控制出水速度。污水首先进入VF段，污水垂直向下流经轮叶黑藻、50 mm黏土层、400 mm砾石层(直径为5～10 mm)或锰渣陶瓷球层、350 mm砾石层(直径为15～20 mm)；接着进入HSF段，污水依次通过350 mm砾石层(直径为15～20 mm)、250 mm砾石层(直径为5～10 mm)或锰渣陶瓷球层、50 mm黏土层，再由出水口水平进入集水区。

调研结果显示，铜仁周边农村面源污染主要以生活污水为主。参照铜仁农村面源污水的水质指标，配制模拟污水(见表2)。

表2 水质指标

1.2 实验方案与分析方法

1#人工湿地与2#人工湿地同时运行。每日17:00配制次日所需的模拟污水，将污水灌入水塔。取样周期为28 d，每日10：00左右取样。

调节进水口的蝶阀改变流量从而改变表面水力负荷，其实验方案见表3。

表3 表面水力负荷实验方案

通过测试COD、氨氮、硝态氮和TP的去除率确定最佳表面水力负荷。表面水力负荷指单位面积人工湿地在单位时间内能接纳的污水量，按式(1)计算：

(1)

式中：qhs为表面水力负荷，m3/(m2·d)；Q为人工湿地设计水量，m3/d；A为人工湿地面积，m2。

采用单因素分析法，研究不同表面水力负荷下，人工湿地对COD、TP、氨氮、硝态氮去除率的影响，COD、TP、TN分别控制在(290.0±5.0)、(30.0±2.0)、(13.0±1.0) mg/L，只有表面水力负荷发生变化。每种方案测试1次，每次在出水口取3个水样，测定水质指标，取平均值。COD、TN、氨氮、硝态氮、TP的测定仪器见表4。

表4 水质指标测定仪器

注：1)测定前先进行过硫酸钾消解。

2 结果与分析

2.1 表面水力负荷对COD去除的影响

在不同表面水力负荷条件下运行28 d，人工湿地的COD去除率如图2所示。由图2可以发现，随着表面水力负荷增加，1#和2#人工湿地的COD去除率均呈现先上升后下降的趋势。1#人工湿地的COD去除率峰值出现在表面水力负荷为0.40 m3/(m2·d)时；2#人工湿地的COD去除率峰值出现在表面水力负荷为0.55 m3/(m2·d)时。2#人工湿地的COD去除率峰值明显高于1#人工湿地，为90.12%，说明2#人工湿地的抗冲击能力优于1#人工湿地。分析COD去除率曲线整体趋势可以发现，2#人工湿地对COD的去除效果始终优于1#人工湿地。这是因为2#人工湿地的填料中使用了锰渣陶瓷球，锰渣陶瓷球粒径可控，空隙均匀，导致2#人工湿地的水流压降小于1#人工湿地，溶解氧高于1#人工湿地，从而促进其对COD的降解。另外，本研究使用的锰渣陶瓷球表面存在孔径80 μm左右的大量显气孔(见图3)，有利于表面挂膜[8]，增强了微生物的分解作用，从而提高了人工湿地对COD的去除率。

图2 表面水力负荷对COD去除率的影响Fig.2 The influence of hydraulic surface loading on COD removal rate

图3 锰渣陶瓷球微观结构(×200)Fig.3 Microstructure of manganese slag ceramic ball (×200)

2.2 表面水力负荷对氨氮去除的影响

在不同表面水力负荷条件下运行28 d，人工湿地的氨氮去除率如图4所示。由图4可以看出，随着表面水力负荷增加，1#和2#人工湿地的氨氮去除率均呈现先上升后下降的趋势。1#和2#人工湿地的氨氮去除率峰值均出现在表面水力负荷为0.55 m3/(m2·d)时，但2#人工湿地的氨氮去除率峰值明显高于1#人工湿地，达到76.45%。表面水力负荷低时进水量小，且轮叶黑藻消耗了一部分溶解氧，所以氨氮去除率偏低；随着进水量增大，人工湿地的溶解氧增加，且菖蒲和美人蕉生长良好，通过根系将大量溶解氧带入HSF段水体，所以氨氮去除率随之增加。但是当表面水力负荷超过0.55 m3/(m2·d)时，人工湿地的处理能力已达到极限，氨氮去除率逐渐降低。从图4还可以发现，2#人工湿地的氨氮去除效果始终优于1#人工湿地，说明锰渣陶瓷球作为填料有利于提高人工湿地对氨氮的去除能力。

图4 表面水力负荷对氨氮去除率的影响Fig.4 The influence of hydraulic surface loading on ammonia nitrogen removal rate

2.3 表面水力负荷对硝态氮去除的影响

在不同表面水力负荷条件下运行28 d，人工湿地的硝态氮去除率如图5所示。从图5可以看出，随着表面水力负荷增加，1#和2#人工湿地的硝态氮去除率均呈现先上升后下降的趋势。这是因为表面水力负荷增加一方面增大了厌氧环境的面积，另一方面增加水中污染物溶解度，且轮叶黑藻生长消耗溶解氧，间接使VF段水体处于缺氧或者厌氧状态。1#和2#人工湿地的硝态氮去除率峰值均出现在表面水力负荷为0.55 m3/(m2·d)时，2#人工湿地的最高硝态氮去除率为70.04%，相比1#人工湿地优势并不明显，可能是因为2#人工湿地的水力停留时间短于1#人工湿地，而水力停留时间偏短并不利于脱氮[9]。

图5 表面水力负荷对硝态氮去除率的影响Fig.5 The influence of hydraulic surface loading on nitrate nitrogen removal rate

2.4 表面水力负荷对TP去除的影响

在不同表面水力负荷条件下运行28 d，人工湿地的TP去除率如图6所示。从图6可以看出，随着表面水力负荷增加，TP去除率先上升后下降。1#和2#人工湿地的TP去除率峰值均出现在表面水力负荷为0.55 m3/(m2·d)时，2#人工湿地的最高TP去除率达到87.48%，相比1#人工湿地优势并不明显。

图6 表面水力负荷对TP去除率的影响Fig.6 The influence of hydraulic surface loading on TP removal rate

2.5 人工湿地去污机制探讨

2.5.1 锰渣陶瓷球填料去污机制

结合图2至图6分析发现，2#人工湿地的去污性能优于1#人工湿地，这主要是因为2#人工湿地使用了锰渣陶瓷球替代砾石作为填料。锰渣陶瓷球的气孔率达40%，表面有许多80 μm左右的显气孔，有利于微生物在其表面生长。当微生物生长到一定厚度，在锰渣陶瓷球表面形成了好氧—缺氧—厌氧分布，从而提高了微生物对污染物的去除率。

锰渣陶瓷球粒径均匀，空隙率可调，节省动力损耗，减少压降损失。水流能在2#人工湿地流动稳定，并将老化的微生物冲走。污水中不溶性有机物经过沉淀和过滤作用，迅速被锰渣陶瓷球填料拦截，再被微生物利用[10]。相比之下，砾石表面光滑，微生物生长空间较少，所以微生物容易脱落；另外，砾石颗粒形状不规则，孔隙不均匀，增加了压降损失，因此1#人工湿地发生堵塞的概率较大。

2.5.2 微生物和植物净化机制

微生物是各类污水中最先出现并且能对污染物进行有效吸收和降解的生物群体；此外，微生物还能捕获溶解性污染物，供给与其共生的植物或者动物利用。湿地植物在进行光合作用时，能经过通气组织将氧气输送到根系，在植物根系周围的微环境中依次出现好氧区、缺氧区和厌氧区，为好氧微生物和厌氧微生物提供良好的生存环境[11]。在好氧环境下，亚硝化细菌和硝化细菌将含氮化合物降解为硝酸盐和亚硝酸盐，在缺氧环境下反硝化细菌将其还原成二氧化氮或者氮气排出。噬磷细菌将有机磷和不可直接利用的磷降解为简单的、可供植物和微生物吸收的磷，并在厌氧环境下生成短链脂肪酸。

美人蕉和菖蒲根系发达，生物量大，能为水体提供大量氧气，同时也为微生物提供了生长空间；两者均能吸收污水中的有机物，表现出较强的污水处理能力[12]。轮叶黑藻生长范围广，适应能力强，生长速度快，富集能力强，除磷效果明显，在一些富营养化的水体中，还能明显降低水体中的氮含量[13-15]。

3 结 论

锰渣陶瓷球填料人工湿地的最佳表面水力负荷为0.55 m3/(m2·d)，此时COD、氨氮、硝态氮和TP去除率分别高达90.12%、76.45%、70.04%、87.48%。锰渣陶瓷球气孔率为40%，表面有许多80 μm左右的显气孔，有利于生物挂膜，能明显改善人工湿地对污染物的去除能力。

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Theinfluenceofthehydraulicsurfaceloadingfortheartificialwetlandusingmanganeseslagceramicballasfiller

CHENGHao1,2,YEFen1,2,SONGMousheng1.

(1.CollegeofMaterialandChemicalEngineering,TongrenUniversity,TongrenGuizhou554300;2.TongrenOfficeofEstablishingNationalEnvironmentalProtectionModelCity,TongrenGuizhou554300)

Non-point source pollution in rural areas of Yunnan-Guizhou Plateau is serious. The influence of surface hydraulic loading on manganese slag ceramic ball artificial wetland was studied according to simulated wastewater of non-point source pollution,taking Tongren for instance. Results showed that the excellent surface hydraulic loading of the system was 0.55 m3/(m2·d),with removal rates of COD,ammonia nitrogen,nitrate nitrogen and TP 90.12%,76.45%,70.04% and 87.48%,respectively. The removal rate of pollutants was improved significantly by using manganese slag ceramic ball as filler instead of gravel in artificial wetland.

manganese slag ceramic ball； artificial wetland； non-point source pollution； Tongren

成 昊，男，1987年生，博士，副教授，研究方向为环境保护材料、污水净化装备。#

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*贵州省教育厅科技拔尖人才支持项目(黔教合KY字[2016]107号、黔教合KY字[2016]009号)；贵州省铜仁市创模办资助课题(No.Trcmb16-9、No.Trcmb16-14)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.003

2016-05-05)