三种基质及其组合配比对生活污水的净化效果

万畅 祝浩翔

摘   要   为掌握三种基质及组合配比对生活污水净化的规律，为提高生活污水的净化效率提供参考依据，通过模拟垂直流人工湿地，选取沙、炉渣、土壤三种基质以体积比1∶2∶1，1∶1∶2，2∶1∶1按固定顺序自下而上依次装填试验系统，分别编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，同时设有单一基质装填及空白对照试验（全沙、全炉渣、全土、空白，依次编号Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ），以不同的水力停留时间（HRT）：0.5 d、1 d、3 d、5 d、7 d、9 d，探究对生活污水中的NH4+-N、TP的去除率及pH的影响。结果表明，Ⅰ系统NH4+-N的平均去除率最高;Ⅴ系统TP的平均去除率最高，其次为Ⅰ;各系统在0.5～9 d的HRT下，Ⅰ～Ⅵ的NH4+-N及TP去除率存在最高点。但在Ⅶ系统中，TP去除率基本不变，NH4+-N去除率存在最高点。本试验中，系统Ⅰ对NH4+-N及TP均表现出良好的去除效果，即最佳的基质配比为1（沙）∶2（炉渣）∶1（土壤）;且在1 d时NH4+-N去除率最高，在5 d时TP去除率最高。

关键词   人工湿地;基质及其组合配比;HRT;生活污水净化;污染物去除率

中图分类号：X52    文献标志码：A    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.1.003

目前，生活污水等问题日益严重，一方面排放总量持续上升，另一方面面临着极低的生活污水处理率。传统的污水处理技术要么效率不高，要么受经济条件限制，故低成本、高效率的人工湿地污水处理技术就凸显其作用[1]，这类工艺投资省、运行费用低、处理效果好[2-4]，并且可以创造出具观赏性、美学功能的湿地景观。而基质作为人工湿地的最基本要素，其种类及组合配比对生活污水的去污效果起着至关重要的作用，国内外学者做过很多关于它们的研究，但由于区域条件环境的限制，结果表现得有些差异。近年来，人工湿地的基质去污效能成为研究热点，张燕等人通过等温热力学吸附试验，比较了人工湿地的基质高钙废渣、改性赤泥和火山石对污水中氨氮的去除效果，结果表明高钙废渣对NH4+-N的吸附效果最好[5]。而影响水中NH4+-N及TP去除的因素有很多，其中包括基质的吸附、沉淀及水力停留时间，所以在不同的水力停留时间下探究基质及组合配比对生活污水的净化效果就更有实际的应用意义。本文选取三种经济易得的基质：沙子、炉渣、土壤，以1∶1∶2，1∶2∶1及2∶1∶1的比例模拟构建湿地基质组成，探究比较生活污水净化效率，从而优化基质配比、明确最适水力停留时间，为今后生活污水的处理，海绵城市、雨水花园设计等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验系统的构建

本试验所取的土壤来源于西南大学（重庆市北碚区）厚艺园，取表层20 cm以下的土壤;炉渣购于山东枣庄，清洗后多次过网筛选，晾干待用，3～6 mm的粒径;沙子是购于重庆市北碚嘉陵江的河沙，粒径0.08～1.00 mm，主要成分是SiO2，晾干待用。

构建试验系统：模拟小型的垂直流人工湿地，将一个上直径32 cm、下直径25 cm、高45 cm的塑料桶进行改装，在距离其底部1 cm处凿一个孔，安装水龙头，控制污水的进出。自桶的底部至20 cm高处分别分层填充基质沙、炉渣、土壤，改变基质的高度，即改变其配比;从桶20 cm高处起至桶高30 cm止填充人工配制的生活污水（见图1）。

试验设置7组系统，即7个处理，编号依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ ，为了确保试验的准确性，每组系统试验重复3次，取平均值，并且将试验系统置于人工搭建的大棚中，以减少其他因素的干扰。

本试验由沙、炉渣、土壤固定顺序自下而上填充试验系统，比例分别为1∶2∶1，1∶1∶2，2∶1∶1，并设置对照（见表1）。

1.2 污水的配制及用量

供试污水模拟城镇污水处理厂污染物排放标准中的三级标准[6]，使用氯化铵和磷酸二氢钾进行氮、磷浓度的配制[7]，初始指标：NH4+-N 10 mg·L-1，TP 4 mg·L-1，pH=6.3。污水用量相同，均為30 L。

1.3 水样采集及指标测定

1.3.1 水样采集

本试验地点在西南大学30教学楼顶楼，从7月底持续到8月16。试验开始运行，每隔0.5 d、1 d、3 d、5 d、7 d、9 d采集水样（以HRT表示水力停留时间），打开阀门采集，采集后及时关掉阀门。每次采集的水样均为50 mL，减少因进水量的不同而产生的误差，及时测量出水样的NH4+-N、TP浓度及pH值，根据测出的结果取每个系统的平均值。

1.3.2 指标测定

利用哈纳HI83200仪器测定水样的NH4+-N、TP浓度，用R表示污染物出水浓度，分别测出同一试验装置三次重复的出水浓度R1、R2、R3。

利用精密pH试纸测水样的pH值。

1.4 数据处理与分析

图表绘制和数据处理使用Excel 2010软件进行。

某一污水污染物出水浓度的平均值   （mg·L-1）的计算公式为：

（1）

（1）式中，R1、R2、R3为同一试验装置的三次重复试验的污染物出水浓度（mg·L-1）

某一试验装置污染物（TP、NH4+-N）去除率λ（%）的计算公式为：

（2）

（2）式中，R0为污染物进水浓度（mg·L-1）;

为出水浓度平均值（mg·L-1）。

2 结果与分析

2.1 三种基质及其组合配比对NH4+-N净化效果

由表1可以得出，综合0.5～9 d的时间，NH4+-N的平均去除率Ⅰ（21.93%）>Ⅴ（19.4%）>Ⅵ（17.92%）>Ⅲ（15.8%）>Ⅱ（15.48%）>Ⅳ（12.33%）>Ⅶ（1.42%）。通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ系统与Ⅶ系统的氨氮去除率对比可以看出，前六个系统的NH4+-N平均去除率在12.33%～21.93%，平均值为17.14%，是Ⅶ系统的8.7～15.4倍。

系统Ⅰ对NH4+-N的去除率明显优于其他系统，平均值为21.93%;对照系统Ⅶ的NH4+-N去除率最低，平均值是1.42%。组合基质装填的系统Ⅱ（15.48%）与Ⅲ（15.8%）对NH4+-N的去除率差异不明显，但都弱于单一基质装填的系统Ⅴ、Ⅵ。

各系统的NH4+-N的去除率在水力停留时间为0.5～3 d时较高，但最高仅为34.7%。而5～9 d的NH4+-N去除率开始下降，在5%左右。Ⅰ～Ⅵ系统的NH4+-N去除率受时间的影响大。在0.5 d、1 d、7 d、9 d时，各系统的NH4+-N平均去除率变化差异较大;在3 d、5 d时，Ⅰ-Ⅵ变化差异缩小。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ系统均表现出先上升后下降的趋势，在1 d时NH4+-N去除率达到最高值;Ⅳ、Ⅴ系统0.5 d时NH4+-N去除率就达到最高值;Ⅶ系统的NH4+-N去除率趋势为先上升后下降，3 d达到最高值2%。

2.2 三种基质及其组合配比对TP净化效果

由表2可知，在0.5～9 d的水力停留时间下，TP平均去除率Ⅴ（91.25%）>Ⅰ（82.08%）>Ⅱ（75%）>Ⅵ（59.17%）>Ⅲ（35%）>Ⅳ（32.5%）>Ⅶ（2.5%）。对于单一基质装填的系统而言，TP平均去除率：Ⅴ>Ⅵ>Ⅳ;对于基质组合装置而言，TP平均去除率：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ。且Ⅴ的TP平均去除率最高，其次为Ⅰ;Ⅶ系统的TP去除率始终保持在2.5%。

Ⅰ～Ⅵ系统对TP去除率的变化有着相似的趋势：各系统的变化受时间的影响较大;TP去除率存在转折点，在0.5～5 d时TP去除率达到最大值。Ⅴ在3 d达到最高值92.5%后基本保持不变。Ⅰ系统在5 d时TP去除率达到最高，而Ⅶ系统的TP去除率保持不变。徐丽等研究表明，为得到较高的TP去除率，水力停留时间应>1 d[8]。

2.3 三种基质及其组合配比对pH的影响

由表3可得，Ⅰ～Ⅶ系统的pH平均值为6.30，与进水pH值相等，各系统的pH值在6.2～6.5，波动幅度不大。

3 讨论

3.1 三种基质及其组合配比对生活污水净化的影响

本试验中，各系统对NH4+-N的去除率都不算太高，平均为14.89%，不到20%。这可能是因为基质及基质配比并不是去除生活污水中NH4+-N的最重要因素。而TP去除率的变化幅度大，最高达到了91.25%，说明基质及其组合配比在很大程度上影响了TP的去除，这与Reddy等的人工湿地中70%～87%的磷都是通过基质去除的研究结论相一致[9]。

本试验中，系统Ⅶ（空白对照）显示对NH4+-N的平均去除率为1.4%，推测这部分NH4+-N可能是通过挥发的方式从人工湿地中去除的。有关研究表明，挥发是NH4+-N的去除途径之一，并且在一定的条件下，NH4+-N的挥发量会随着生活污水蒸发量的增加而升高[10]。Ⅶ系统的NH4+-N的平均去除率约是Ⅰ～Ⅵ的1/12，且进水水质的pH值为6.3，所以在本试验中可以忽略因挥发从系统中逸出的NH4+-N。这与Reddy和Patrick的发现是一致的，他们得出当pH值低于7.5时，NH4+-N挥发作用可以忽略[11]。Ⅶ系统的TP去除率始终保持在2.5%，这可能与HI83200仪器测量TP精度为0.1有关。Ⅶ系统对TP的去除率远低于Ⅰ～Ⅵ，说明了外部环境对试验的干扰很小。

Ⅰ系统对NH4+-N的去除率明显优于其他系统，推测可能与基质分层促进硝化与反硝化的进行有关。这与刘慎坦等对比组合基质与煤渣基质，得出组合基质由于有利于湿地中形成上层以硝化菌为主的硝化反应区和下层以反硝化菌为主的反硝化区，所以有更好的脱氮效果的研究相一致[12]。Ⅰ系统的TP去除率优于其他组合基质装填的系统，并且随着水力停留时间的延长，这个规律基本不变。这可能与炉渣占比多有关。

Ⅴ炉渣对TP的去除效果明显優于Ⅵ土壤和Ⅳ沙，这可能是炉渣中金属氧化物而引起的。并且有研究表明，炉渣中存在着铝氧化物、钙氧化物，又因为炉渣疏松多孔的物理特性，使磷可以被均匀地吸附，为铝、钙对磷的物理化学作用创造了有利的条件[13]。对于本试验中的土壤，它取自西南大学厚艺园，可能含有一些金属氧化物，满足了基质对磷的化学吸附条件，因此对TP的去除效果较好;而沙的孔隙率很小，金属氧化物含量极少，并且沙子基本不与磷发生化学反应，所以它对TP的去除率较低。

各系统在0.5～9 d的HRT下，对NH4+-N、TP去除率均存在转折点。有研究表明，污染物质转移受构筑湿地内部的水力学特征影响，从而直接影响污水净化效果[14]。并且，在一定范围内，随着HRT的增加，NH4+-N及TP的去除率在提高，但达到某一阶段后，NH4+-N及TP的去除率反而会随着水力停留时间的延长而减小。这是因为在前一阶段NH4+-N能与基质充分有效接触，充足的氧气促进了硝化反应，所以NH4+-N去除率会变高。但达到最佳值后，随着HRT的增加，系统处于严重缺氧的状态，硝化反应受到了阻碍，因此NH4+-N去除率基本保持不变或缓慢下降。这与王世和等在水力停留时间对NH4+-N去除率的研究中所发现的结果[15]是相一致的。对TP而言可能是因为时间不够，反应不充分;时间过长，易形成污水滞留，也有研究表明水力负荷的改变容易引起TP去除率的变化，这种变化是敏感的，而且TP去除率会在湿地基质吸附交换达到平衡后显著减小[16]。

3.2 三种基质及其组合配比对生活污水pH的影响

本试验中经模拟的垂直流人工湿地净化的生活污水的pH波动不大，数值在6.3左右。这说明不同基质及组合配比对生活污水净化后的pH影响不大，但并不能断定为毫无影响，因为本试验中的pH是用pH试纸测定的，存在一定的误差。但生活污水的pH会影响污水中NH4+-N及TP的去除率：影响NH3和NH4+在生活污水里的平衡转换;影响湿地沉积物磷的释放从而影响磷的去除效果。

4 结论

三种基质及其组合配比对NH4+-N、TP的去除率及pH存在一定差異，其中，TP的平均去除率较高，NH4+-N的平均去除率较低，而对pH没有明显的影响。Ⅰ系统NH4+-N的平均去除率最高;Ⅴ系统TP的平均去除率最高，其次为Ⅰ。本试验中最佳的基质配比是系统Ⅰ，且Ⅰ系统在1 d时NH4+-N去除率最高，在5 d时TP去除率最高。

各系统在0.5～9 d的HRT下，对NH4+-N、TP去除率均存在转折点，即存在最佳的水力停留时间。在一定范围内，随着水力停留时间的增加，NH4+-N及TP的去除率在提高，但到达某一阶段后，NH4+-N及TP的去除率反而会随着水力停留时间的延长而减小。

虽然对于某些基质来说，基质组合的装填方式会降低某种污染物的去除率，但从宏观上结合多个污染物指标来看，基质组合的装填方式更有利于大多数污染物的去除，如本试验中Ⅰ系统对NH4+-N及TP均表现出了较高的去除率，而装置Ⅴ虽然对TP表现出很高的去除率，但单一的炉渣并不能满足植物的生长要求，需要将其与其他基质混合使用，才能发挥出其实际意义。

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