基于煤矸石沸石自动改性的潜流人工湿地填料组合方案研究*

黄 伟 张荣新 傅金祥 焦义利 王国强

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

黄 伟 张荣新#傅金祥 焦义利 王国强

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

针对传统砾石填料容易造成堵塞，导致潜流人工湿地处理效果变差的问题，开展填料优化选择研究。结果表明，煤矸石/沸石/砾石这一填料组合方案大大延长了潜流人工湿地的堵塞周期，比传统砾石填料组合至少晚6d，对COD、氨氮、总磷的平均去除率分别提高26.4、9.4、18.7百分点，堵塞位置向下部移动30cm，水头损失日均增加量和孔隙率变化量日均增加值分别低0.01cm和0.02%。

潜流人工湿地 自动改性 堵塞速率 孔隙率

潜流人工湿地作为高效及环保的污水处理方式，主要依靠内部填料的过滤和附着在填料表面的微生物作用对污水进行处理[1-2]。潜流人工湿地内部填料常采用单一基质，这种单一基质填配方式容易造成堵塞，堵塞一般发生在潜流人工湿地表层0～15 cm处[3]，使进水不能深入潜流人工湿地底层，底层部分填料不能充分利用，造成填料的浪费；表层溶解氧不能深入底层，底部微生物的有氧活动只能部分进行，造成潜流人工湿地整体处理效果下降，严重限制了潜流人工湿地的大面积普及应用[4-8]。

为解决潜流人工湿地的堵塞问题，已有很多学者进行了相关的探索。叶建峰等[9]研究了无烟煤新型填料基质。郭晋玲等[10]对进水进行预处理以降低潜流人工湿地的进水负荷。朱伟等[11]采用化学溶脱法延缓堵塞。张翔凌[12]研究了不同粒径的基质对堵塞的影响。王国强等[13]采用沸石/砾石填料组合优化潜流人工湿地内部的填料基质等。众多研究表明，填料的组合和填料的粒径是影响潜流人工湿地堵塞的关键因素。众多学者认为，砾石填料是潜流人工湿地的最佳填料，砾石填料最突出的优点是较经济，但砾石填料对氨氮和COD处理效果较差，抗堵塞性能较弱，运行延续性较低[14-16]。从提升处理效果和延长潜流人工湿地填料的堵塞周期两方面出发，筛选出新型的潜流人工湿地填料组合是解决潜流人工湿地堵塞的难点。

本研究根据以往研究过程中的经验和不足，从潜流人工湿地的处理效果、堵塞周期、堵塞位置等方面将新型填料组合与传统砾石填料组合进行比对分析。

1 材料与方法

1.1 试验装置

采用有机玻璃做4个圆形试验柱，外径为20 cm，内径为19 cm，高度为130 cm，布水管布置在顶部下方2 cm，布水管下部3 cm装填填料，试验柱内的填料高度为110 cm，试验柱沿高度方向每隔10 cm设置1个取样口，一共11个，在取样口对称面设置11个测压口，用胶皮软管连接到后面的测压板上，获得11个取样口的水压，进水采用蠕动泵控制进水流量和流速，通过试验柱上部的布水管进水，通过底部出水口出水，试验装置示意图见图1。潜流人工湿地采用不同粒径的填料进行填充，选取砾石、沸石、煤矸石作为潜流人工湿地的内部填料。其中传统砾石填料组合：布水管下方3 cm开始放置填料依次为砾石(0～40 cm,粒径3～5 mm)、砾石(40～80 cm，粒径5～8 mm)、砾石(80～110 cm，粒径8～11 mm)，承托层装填(110～125 cm)；新型填料组合：布水管下方3 cm开始放置填料依次为煤矸石(0～40 cm，粒径3～5 mm)、沸石(40～80 cm，粒径5～8 mm)、砾石(80～110 cm，粒径8～12 mm)，承托层装填(110～125 cm)。所用填料规格见表1，试验装置连续运行30 d。

图1 试验装置Fig.1 Experimental device

填料密度/(g·cm-3)磨损率/%孔隙率/%质量分数/%破损率/%砾石2．65≤0．349．50≥99≤0．35沸石1．80～2．20≤0．550．50≥80≤1．00煤矸石1．50～1．80≤1．447．80≥80≤1．60

1.2 试验用水

试验用水为校园人工湖水，水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准，能够很好地模拟潜流人工湿地实际工程的进水水质。为了使试验装置更快出现堵塞现象，向所取湖水中投加高岭土，使进水悬浮物质量浓度达到(100.0±2.3) mg/L左右。试验用水水质见表2。

表2 试验用水水质

1.3 分析方法

主要通过COD去除率、氨氮去除率、总磷去除率、水头损失及孔隙率变化量来反映填料的堵塞。COD采用快速密闭消解/分光光度法、氨氮采用纳氏试剂分光光度法、总磷采用过硫酸钾氧化/钼锑抗比色法进行测定；对4个试验柱连接胶皮软管作为测压管，根据胶皮软管的液面高差计算水头损失；孔隙率变化量按照填料饱和放空水量体积法进行计算。其中COD、氨氮、总磷每天监测1次，水头损失和孔隙率变化量每2～3 d监测1次。

2 结果与分析

2.1 不同填料组合对水中污染物去除效果分析

新型填料组合和传统砾石填料组合对COD、总磷、氨氮的去除率随时间的变化分别见图2、图3和图4。

图2 COD去除率随时间的变化Fig.2 Change of COD removal rate with time

由图2可知，1 d时新型填料组合对COD的去除率为67.6%，传统砾石填料组合对COD的去除率为46.2%，新型填料组合对COD去除率比传统砾石填料组合高21.4百分点。1～17 d，新型填料组合对COD的去除率总体呈上升趋势，由67.6%上升至75.9%，COD去除率增加了8.3百分点；17～18 d，新型填料组合对COD的去除率突降，由75.9%突降为70.1%，突降了5.8百分点；17～30 d，新型填料组合对COD的去除率整体呈现下降的趋势，由75.9%降至52.4%。1～11 d，传统砾石填料组合对COD去除率由46.2%上升至56.2%；11～12 d，COD去除率突降，由56.2%突降为42.1%；11～30 d，传统砾石填料组合对COD的去除率整体呈下降趋势，30 d时，其COD去除率为24.3%。新型填料组合对COD的去除率比传统砾石填料平均高26.4百分点。

图3 总磷去除率随时间的变化Fig.3 Change of TP removal rate with time

图4 氨氮去除率随时间变化Fig.4 Change of ammonia nitrogen removal rate with time

由图3可知，1 d时，新型填料组合对总磷的去除率为32.7%，传统砾石填料组合对总磷去除率为23.4%，新型填料组合对总磷的去除率比传统砾石填料组合高9.3百分点。1～17 d，新型填料组合对总磷的去除率总体上逐渐增加，17 d时去除率达到最大，为38.9%；传统砾石填料组合对总磷的去除率在11 d时达到最大，为24.5%，与新型填料组合最大值相差14.4百分点；17～18 d，新型填料组合对总磷的去除率出现突降，由38.9%下降至30.9%；而传统砾石填料组合在11～12 d出现突降，由24.5%下降至20.7%。新型填料组合对总磷去除率比传统砾石填料组合平均高9.4百分点。

由图4可知，1 d时新型填料组合对氨氮去除率为54.3%，传统砾石填料组合为30.5%，新型填料组合对氨氮去除率比传统砾石填料组合高23.8百分点。1～11 d，传统砾石填料组合对氨氮的去除率整体呈上升趋势，11 d时达到最大，为37.2%；11～12 d出现突降，下降至32.1%。新型填料组合在1～17 d氨氮去除率大体上呈缓慢上升趋势，由54.3%上升至58.7%；17 ～18 d对氨氮的去除率出现突降，由58.7%降至50.2%；17 d之后，新型填料组合对氨氮的去除率整体呈现下降的趋势。新型填料组合对氨氮去除率比传统砾石填料组合平均高18.7百分点。

综上所述，新型填料组合对COD、总磷、氨氮的去除率随时间变化的规律基本相同，去除率在17～18 d发生突降，表明在17 d发生堵塞；传统砾石填料组合对COD、总磷、氨氮的去除率在11～12 d产生突降，表明在11 d发生堵塞；新型填料组合的堵塞周期比传统砾石填料组合晚6 d。新型填料组合在0～40 cm范围内填充煤矸石，有机物易在煤矸石表层吸附，且煤矸石疏松的结构使水流容易向下部流动，试验装置运行一段时间后，其截留的水量远远低于砾石填料，40～80 cm范围内填充沸石，抑制煤矸石产生的酸性物质，使煤矸石处理污水的延续性能够增强，从而降低了潜流人工湿地的堵塞速率。

2.2 不同填料组合水头损失和孔隙率变化量随深度变化趋势分析

新型填料组合和传统砾石填料组合的水头损失随深度变化见图5，其中水头损失为1～30 d平均值。由图5可知，深度为10 cm时，新型填料组合与传统砾石填料组合的水头损失分别为0.70、0.78 cm；深度20～30 cm传统砾石填料组合出现水头损失突跃，由0.85 cm变为0.96 cm，表明在此深度范围发生了堵塞，导致水头损失迅速增加。新型填料组合在深度10～30 cm范围内水头损失平均值比传统砾石填料组合低0.16 cm；在深度为50～60 cm时，新型填料组合水头损失由0.73 cm突跃为0.96 cm,水头损失变化了0.23 cm。水头损失值越大，表明在此深度发生的堵塞越严重。由水头损失突跃变化可知传统砾石组合堵塞发生在20～30 cm，新型填料组合主要发生在50～60 cm，堵塞位置向下移动30 cm。深度为60～110 cm时，传统砾石填料组合水头损失由0.98 cm降为0.78 cm，新型填料组合由0.96 cm降为0.73 cm，随着深度的增加，水头损失整体呈降低趋势。传统砾石填料组合与新型填料组合相比，前者更容易发生堵塞，前者在深度0～40 cm处，截留了大量的进水杂质和颗粒，造成表层的水头损失高于底部的水头损失。

图5 水头损失随深度变化Fig.5 Change of head loss with depth

新型填料组合和传统砾石填料组合的孔隙率变化量随深度变化见图6，其中孔隙率变化量为1～30 d平均值。由图6可知，深度为10 cm时，新型填料组合孔隙率变化量为1.83%；传统砾石填料组合孔隙率变化量为3.13%，是新型填料组合孔隙率变化量的1.71倍；深度为50～60 cm时，新型填料组合孔隙率变化量发生突跃，从2.31%升至3.14%，说明此处堵塞严重；深度为20～30 cm时，传统填料组合孔隙率变化量从3.14%升至3.86%，说明此处堵塞严重。

图6 孔隙率变化量随深度变化Fig.6 Change of porosity variation with depth

综上所述，深度为20～30 cm时，传统砾石填料组合水头损失和孔隙率变化量产生较大突跃，50～60 cm时，新型填料组合水头损失和孔隙率变化量变化较大，水头损失和孔隙率变化量变化越大表示堵塞程度越大，新型填料组合使得堵塞位置向下移动30 cm。堵塞的主要原因是进水中的悬浮颗粒在填料间隙累积，导致水流不能顺利向下部流动，造成潜流人工湿地表层水流囤积。传统砾石填料组合的堵塞情况较严重，新型填料组合表层煤矸石结构疏松，所以其在吸附进水有机物后不会影响后续进水，使得进水能够深入下层沸石中继续被处理，沸石与煤矸石的物理特性具有互补作用，使得堵塞位置向下移动。传统砾石填料组合的水头损失和孔隙率变化量高于新型填料组合，表示传统砾石填料组合比新型填料组合更容易堵塞。

2.3 不同填料组合水头损失和孔隙率变化量随时间变化趋势分析

新型填料组合和传统砾石填料组合的水头损失(110 cm处)随时间变化情况见图7。由图7可知，传统砾石填料组合和新型填料组合在1 d时水头损失分别为0.80、0.70 cm；1～30 d，两种填料组合水头损失整体呈增加趋势；传统填料组合水头损失在10～12 d时发生突跃，由0.98 cm 上升为1.32 cm，增加0.34 cm；新型填料组合在17～19 d时水头损失发生突跃，由0.83 cm上升为1.13 cm；30 d时，新型填料组合和传统砾石填料组合的水头损失分别为1.27、1.58 cm。1～30 d，新型填料组合和传统砾石填料组合的水头损失日均增加量为0.02、0.03 cm,传统砾石填料组合水头损失日均增加量比新型填料组合大0.01 cm。

图7 水头损失随时间变化Fig.7 Change of head loss with time

新型填料组合和传统砾石填料组合的孔隙率变化量(110 cm处)随时间变化情况见图8。由图8可知，新型填料组合和传统砾石填料组合在1 d时孔隙率变化量分别为1.68%、3.10%；30 d时，新型填料组合和传统砾石填料组合的孔隙率变化量分别为2.48%、4.64%；1～30 d两种填料组合的孔隙率变化量均呈现递增趋势；新型填料组合和传统砾石填料组合孔隙率变化量日均增加值为0.03%、0.05%；传统砾石填料组合孔隙率变化量在10～12 d时发生突跃，由3.23%变为4.15%，新型填料组合在17～19 d时发生突跃，由1.88%变为2.34%。

图8 孔隙率变化量随时间变化Fig.8 Change of porosity variation with time

综上所述，传统砾石填料组合和新型填料组合的水头损失及孔隙率变化量均随时间而逐渐增加，新型填料组合在17～19 d时水头损失和孔隙率变化量发生突跃，传统砾石填料组合在10～12 d时水头损失和孔隙率变化量发生突跃，这表明装置内部发生了堵塞，突跃数值越大，表明堵塞越严重。

3 结 论

(1) 新型填料组合对污染物的去除效果优于传统砾石填料组合，新型填料组合对COD、总磷和氨氮的最高去除率分别为75.9%、38.9%、58.7%，比传统砾石填料组合分别高26.4、9.4、18.7百分点。

(2) 传统砾石填料组合发生堵塞的周期约为11 d，堵塞发生在深度20～30 cm处；新型填料组合堵塞周期为17 d，堵塞发生在深度50～60 cm处；新型填料组合比传统砾石填料组合堵塞周期增加至少6 d，堵塞位置向下移动了30 cm；新型填料组合的抗堵塞性能更优。

(3) 新型填料组合水头损失日均增加量比传统砾石填料组合低0.01 cm, 孔隙率变化量日均增加值低0.02%，新型填料组合的堵塞速率低于传统砾石填料组合。

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Studyonsubstratescombinationschemesofsubsurfaceflowconstructedwetlandbasedoncoalgangue/zeoliteautomatic-modification

HUANGWei,ZHANGRongxin,FUJinxiang,JIAOYili,WANGGuoqiang.

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,ShenyangLiaoning110168)

Clogging caused by traditional gravel substrate would result in the decrease of treatment effect of subsurface flow constructed wetland. Optimization of substrates selection was studied in regard to this issue. The results showed that new combination of substrates (coal gangue/zeolite/gravel) greatly extended the clogging cycle of subsurface flow constructed wetland,which was at least 6 days more than that of traditional gravel substrate. Compared with traditional gravel substrate，the average removal rate of COD,ammonia nitrogen and TP of new combination was increased by 26.4,9.4 and 18.7 percent point,respectively. The clogging position was 30 cm deeper than traditional gravel substrates. Daily head loss increment and daily increment of porosity variation was 0.01 cm and 0.02% less than traditional gravel substrate,respectively.

subsurface flow constructed wetland; automatic-modification; clogging rate; porosity

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.011

2016-04-17)

黄 伟，男，1991年生，硕士研究生，研究方向为污水的人工湿地处理方法。#通讯作者。

*住房和城乡建设部科学技术计划项目(No.2015-K7-018)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2014ZX07202-011)。