垂直流人工湿地填料对尾水深度处理的效果

陈 军，李赫龙，卢 斌，刘昊臻，林 静

（1.中建水务环保有限公司，北京 100037；2.深圳市碧园环保技术有限公司，广东 深圳 518000）

人工湿地是污水处理中常用的技术，垂直流人工湿地由于占地面积相对少、污染物去除率高且不易发生堵塞等特点被广泛应用。在人工湿地中，基质中的填料是人工湿地处理污水的重要部分，对处理效果有重要影响。填料在为植物和微生物提供生长介质的同时，还能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物，而填料的种类、颗粒级配等会直接影响污染物的沉淀、过滤和吸附效果[1]。

朱夕珍等[2]以石英砂、煤灰渣和高炉渣作为填料，长期观测运行对比其污染物削减效果，认为石英砂导水性好，水力负荷高，不易堵塞；武俊梅等[3]分别以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、钢渣、生物陶粒等填料进行污水处理，得出了沸石、无烟煤和生物陶粒在高水力负荷条件下可获得更好的处理效果。李少朋等[4]选用活性炭、陶粒和火山岩作为垂直流人工湿地基质，进行不同基质净化畜禽养殖废水的效果研究，结果表明，活性炭对总磷、总氮有很好的净化效果。Wang等[5]将牡蛎壳作为人工湿地填料进行污水处理试验，结果表明该填料对磷有显著的去除效果。王建明等[6]使用牡蛎壳滤池对养殖污水进行处理，结果表明总氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和活性磷酸盐的去除率分别达到（76.7±7.56）%、（94.9±3.6）%、（12.2±38.76）%和 （17.8±17.46）%。李文鹏[7]制备了改性牡蛎壳粉用于处理含磷废水，对磷的去除效果可达90%以上；张毓媛等[8]选取火山石、粗炉渣、牡蛎壳三种基质，通过垂直流人工湿地室内模拟试验研究了五种体积比的基质组合的除污效果，结果表明填料组合配比对水质处理效果影响显著。吴小凤等[9]以火山石、沸石、牡蛎壳、陶粒、麦饭石和砖红壤作为人工湿地填料，分别进行单一和组合填料配比研究，结果表明组合填料系统对主要污染物的去除效率相对单一填料有所提高。

以上关于填料配比和组合的应用研究方法多是基于小型装置的室内控制试验，在室外大尺度上的观测研究还较为鲜见。并且，在人工湿地实际运行中，表层填料的厚度和水力负荷也是影响污水水质出水效果的重要方面。基于此，笔者在现有研究成果的基础上，选择沸石、活性炭和牡蛎壳三种填料作为人工湿地基质，研究其对污水处理厂尾水深度处理的效果，并通过改变填料的铺设厚度和水力条件，对其脱氮除磷效果进行探究。

1 材料与方法

本研究分三个阶段在7个试验池进行，试验池尺寸为：长×宽×高=2 m×2 m×1.8 m，池子由过滤层90 cm、承托层（粒径4～8 mm的碎石）30 cm、透水层（粒径8～16 mm的碎石） 30 cm 3层填料填铺而成。其中，过滤层填料根据试验方案进行设计，其方案配比如表1所示。试验池表层均种植相同密度的风车草，每天的进水量和进水时间由自动阀门控制，运行的水力负荷为0.5 m3/（m2·d），连续运行90 d。污水水样来自深圳市某污水处理厂尾水，其水质标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准。

研究表明，单一的填料对污水的处理效果不如组合填料，水力负荷也是影响人工湿地污水处理及长期稳定运行的重要因素。为此，笔者将活性炭、牡蛎壳、沸石三种填料按照1∶2∶7的比例进行组合，分别设置厚度为20 cm、30 cm、50 cm，研究填料厚度对污染物去除效果的影响。之后，再分别按照高负荷2 m3/(m2·d)、中负荷1 m3/(m2·d)、低负荷 0.5 m3/(m2·d)三种水力负荷进水，探究湿地填料在不同水力负荷下的处理效果及稳定程度。

装置搭建好后进行半个月的调试运行，待运行稳定后，每隔5 d分别对各试验池出水水质进行取样检测。水质检测的指标有TN、TP、NH3-N、COD，检测方法按照水和废水监测分析方法，采用紫外可见分光光度计检测。

2 结果分析

2.1 不同填料处理尾水效果

在不同填料处理下，各试验池水质处理效果见图1。COD的处理效果最好的为A1，平均去除率为（56.46±4.26）%，A2和A3两个则分别为（40.40±6.136）%和 （41.70±6.526）%，相比于沸石和牡蛎壳，活性炭对COD的去除效率更高。在氨氮的处理效果上，A3最好，试验期间平均去除率为 （84.1±3.946）%，而空白组的去除率只有55.95%，其他两组也分别只有61.9%和68.29%，说明与活性炭和牡蛎壳相比，沸石对氨氮的去除能力更强。在总磷的处理效果上，A1和A3的处理效果与空白组差别不大，两组的去除率在35%～45%之间，说明添加活性炭和沸石对总磷的去除不能产生明显的提升效果，而A2在试验期间对总磷的平均去除率为（62.01±6.896）%，最大去除率为75%，说明牡蛎壳的添加可以有效地提升人工湿地填料对总磷的去除效果。

表1 人工湿地表层填料方案

相比于其他水质指标，各试验池对总氮的去除率普遍偏低。其中，A3的处理效果最好，试验期内平均去除率为（36.61±5.04）%，另外两组的去除效果则分别为12.55%和14.12%，说明添加沸石对总氮有一定的去除效果。

2.2 组合填料厚度对污染物的影响

根据各功能性填料对污染物的去除效果，按照活性炭∶牡蛎壳∶沸石=1∶2∶7进行组合配比试验，研究表层填料厚度对尾水的处理效果，其结果见图2。三个试验池对COD的去除效果均较好，其中A6试验池的去除率为56.35%，A4和A5两个分别为50.16%和54.26%，即A6＞A5＞A4。对于氨氮，三个试验池的处理效果均随着试验进行有提高的趋势。试验期间，三个试验池中去除效果最好的为A6，平均去除率为81.48%，A4和A5两个分别为78.40%和74.70%。对于总磷，三个试验池中去除效果最好的仍为A6，平均去除率为63.07%，A4和A5两个分别为58.14%和54.72%。对于总氮的去除效果，三个试验池中去除效果最好的仍为A6，平均去除率为46.13%，A4和A5两个分别为40.83%和41.29%。

图1 不同填料对污水的处理效果

图2 填料厚度对污水的处理效果

2.3 水力负荷

水力负荷是影响人工湿地污水处理及长期稳定运行的重要因素，过高的水力负荷不仅影响出水水质，而且也会缩短人工湿地的使用寿命，过低则降低了人工湿地对污水处理效率。根据功能填料厚度对去除率的结果，A6试验池的厚度对尾水处理效果最好。在A6厚度的基础上分别设置了高、中、低三个水力负荷进行研究，其结果见图3。总的来看，低水力负荷下各水质的处理效果最好，出水水质最为稳定，水质去除效果大致表现为低负荷＞中负荷＞高负荷的趋势。其中，COD的去除率在三个水力负荷下差别不大，高水力负荷条件下处理效果只比低水力负荷下减少8.81%。氨氮的处理效果随着时间的进行，三个水力负荷下的去除效果有逐渐缩小的趋势。以上结果说明，污水中COD和氨氮的去除效果受水力负荷的影响较小。因此，在实际应用中，可根据水质特点适当提高水力负荷以增加人工湿地污水处理量。

图3 水力负荷对污水的处理效果

总磷的去除效果则随着时间的进行，低水力负荷下水质处理效果越来越好。这是由于在人工湿地中，总磷的去除更多的是靠基质填料的吸附作用，当水力负荷过大时，不仅导致人工湿地填料使用寿命缩短，也会因为磷酸根离子来不及吸附而导致出水浓度偏高。值得一提的是，对于总氮的去除，低负荷条件下的效果明显好于高负荷和中负荷。其中，低负荷下的去除率为46.14%，而高负荷下的去除率仅为26.38%，且随着试验的进行，低负荷下的优势越来越明显。其主要原因是总氮在填料中进行反应时需要硝化菌和反硝化菌的参与[10-12]，而当一定浓度下水力负荷过高时，超过了填料的饱和去除率，必然导致出水浓度提高。这一结果说明填料对总氮的承载有限，过高的水力负荷会降低总氮的去除效果。

3 讨论

不同人工湿地填料对水质的处理效果不同，组合填料相比单一填料更能够提高对不同水质的处理效果，因而选出合适的填料组合，对于提高污水处理效果至关重要。本研究选取垂直流人工湿地常见的填料牡蛎壳、活性炭、沸石进行研究。

在单种填料上，活性炭对COD的去除效率较好，与砂石相比，去除率提高了17.96%，说明活性炭对COD的去除有明显的效果，这与其他研究结果一致[13-14]。在人工湿地中，植物吸收、微生物分解代谢和基质吸附作用是磷的主要去除途径，而基质磷吸附作用普遍被视为首要的途径，经基质吸附和沉淀作用去除的总磷可占到总去除量的80%以上。在总磷的处理效果上，牡蛎壳试验组效果最好，其去除率高于同期空白组27.26%。牡蛎壳的主要成分为碳酸钙，物理构造为角质层、棱柱层、珍珠层组成，主要部分为棱柱层，叶片状结构，含大量互相连通的2～10μm微孔，具有较强的吸附能力。Wang等[5]应用牡蛎壳作为人工湿地填料研究对污水中磷的去除效果，李文鹏等[7]通过制备改性牡蛎壳粉来研究其对含磷废水的处理效果。这些研究均表明牡蛎壳对磷的去除效果较好，牡蛎壳填料适合对含磷废水中磷的去除，可用来广泛推广并应用为人工湿地填料[15]。

在氨氮和总氮的处理效果上，沸石试验组效果最好，试验期间氨氮平均去除率高于空白组29.15%，总氮平均去除率高于空白组26.63%。对于氨氮，沸石去除氨氮的途径以离子交换为主，物理吸附作用很小，因而去除效果比较稳定[16]。陈丽丽等[17]研究沸石、红泥、砂、炉渣4种人工湿地基质净化NH4+-N的效果，结果表明4种基质对氨氮的吸附量顺序依次为：沸石＞红泥＞炉渣＞砂；卢少勇等[18]测定了29种常见的湿地填料对氨氮去除效果，结果表明沸石很适合作为人工湿地中吸附NH3-N的填料，以上研究均与本研究结果一致。而对于总氮的去除，沸石试验组之所以强于其他两组，可能是由于对氨氮的去除效果较好，进而间接提高了总氮的去除效果。

对于人工湿地填料的选择，众多研究均表明，组合填料相比于单一的填料，不仅污染物去除效果好，而且相对更稳定[3，9，19]。本研究设置的以沸石、活性炭、牡蛎壳为主的组合填料，在厚度上对各水质指标的处理结果均表现为A6（50 cm） ＞A5（30 cm） ＞A4（20 cm），说明组合填料厚度越厚，人工湿地填料对尾水去除效果越好，但其差距均不大，见图4。对于COD的去除效果，A6比A4高出6.19%；对于氨氮、总磷、总氮的去除率，也分别只高出7.78%、8.35%、5.30%，说明随着表层填料厚度的增加，人工湿地填料对污染物去除的边际效益在逐渐递减。根据地表水环境质量标准（GB 3838—2002），三个试验池出水水质除总氮外，其他三个指标均达到了地表水Ⅲ类标准。因此，从性价比来看，三个试验池表层填料上，反而A4（20 cm）的厚度效果最优。

图4 厚度对出水的影响

4 结论

人工湿地填料的选择对污水厂尾水的深度处理效果有重要影响，牡蛎壳、活性炭、沸石单独使用时，分别对总磷、COD、氨氮有显著的处理效果。按照活性炭∶牡蛎壳∶沸石 =1∶2∶7进行组合配比时，表层填料厚度对污染物的去除效果表现为50 cm＞30 cm＞20 cm，但三种情况下出水水质差别不大。水力负荷会影响人工湿地对污染物的去除效果，低水力负荷下各水质的处理效果最好，出水水质最为稳定，水质去除效果大致表现为低负荷＞中负荷＞高负荷的趋势，总氮总磷受水力负荷影响较大，氨氮与COD则影响较小。