缓释碳源填料制备及其在人工湿地中的应用效果

张瑞斌

（1.江苏龙腾工程设计股份有限公司，南京 210014；2.江苏省雨污水资源化利用工程技术研究中心，南京 210014；3.南京市生态河道工程技术研究中心，南京 210014）

人工湿地多用于生化尾水、农村生活污水等低污染水的深度处理[1]。低污染水C/N 比低，采用的深度脱氮工艺往往需外加碳源，常见的外加碳源包括液体碳源和固体碳源。液体碳源较为高效，但会增加人工湿地的治理成本并可能造成二次污染问题，因此不适用于人工湿地[1]。固体碳源常用的是天然纤维类物质，如秸秆、玉米芯等，经济性好且具有缓释性，但是存在缓释速率不稳定的问题。为使天然碳源更加适用于人工湿地，将天然玉米芯改性处理并与大孔物质、结合材料等进行复合，形成缓释碳源填料。本研究以南京孙家边农村人工湿地为研究对象，通过应用缓释碳源，有效解决了人工湿地中微生物反硝化进程中碳源不足的问题，提高了出水水质。

1 缓释碳源及填料的制备

缓释碳源填料主要由渗透性较高的大孔物质、结合材料、改性玉米芯和牡蛎壳粉混合制成，先将干料混合均匀后加水湿混至混料成色一致、均匀分散，定型脱模后在通风阴凉处养护制得缓释碳源填料，填料粒径为10～30mm，其中改性玉米芯通过1%～2%体积浓度碱性双氧水在90℃～100℃恒温水浴2～3h改性制作而成。

玉米芯的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，通过改性处理破坏其木质素保护层和改变纤维素的晶格结构有利于促进纤维素的酶解，提高纤维素的释放速率，通过对改性条件的控制，可实现碳源高效稳定释放的目的。高效缓释碳源改性玉米芯结构松散、表面积增大且具有多孔性，粒径为8～12mm，密度为0.3～0.6g/cm3。而与无机颗粒等交联黏合制成的缓释碳源填料，其比表面积为26.8～33.5m2/g、孔隙率为41.2%～45.3%、体积密度为1.12～1.33g/cm3，均优于传统填料，形状更加规则，且填料具有碳源缓释的优点，将其应用于低污染水人工湿地，可以解决湿地进水C/N 比低的问题，有效提高人工湿地的反硝化效率，是一种适用于人工湿地的理想填料。

2 人工湿地中的应用效果

2.1 人工湿地构造

垂直流+水平潜流人工湿地系统，包括按水流方向依次设置的调节池、垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地。其中调节池一方面可以稳定水质、水量，控制进入人工湿地中的水量；另一方面针对部分尾水C/N 比低，无法为湿地中微生物硝化反硝化供能的问题，可通过向调节池中补充缓释碳源提高C/N 比。

垂直流人工湿地采用下行式布水方式，污水自上而下流动，自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层。垂直流人工湿地上部设有覆土层，种植深根丛生型植物，种植密度为25～30 株/m2。垂直流人工湿地底部出水进入水平潜流人工湿地，自下而上依次铺设有碎石填料层、缓释碳源填料层与铝污泥填料层，上部设有覆土层，种植有深根散生型植物，深根散生型植物的种植密度为35～45 株/m2。以垂直流人工湿地+水平潜流人工湿地为基础，结合缓释碳源填料、植物等，可有效解决人工湿地中微生物反硝化进程中碳源不足、基质对污染物吸附效果差的问题，缓解人工湿地基质堵塞问题，强化脱氮除磷效果。

2.2 人工湿地中试试验

结合缓释碳源在人工湿地中的应用特点，在南京市江宁区孙家边开展中试试验，利用垂直流+水平潜流人工湿地系统处理农村生活污水（见图1）。调节池接纳生化处理后的农村生活污水，在处理前调节水量、水质。通过控制配水槽污水流入速度，保证垂直流人工湿地的表面水力负荷为0.682～0.953m3/m2·d。垂直流人工湿地碎石填料层中填料粒径为40mm，铺设高度为20cm；缓释碳源填料层中填料的粒径为20mm，铺设高度为25cm；铝污泥填料层中填料的粒径为10mm，铺设高度为20cm，孔隙率为0.33～0.52，垂直流人工湿地的长宽比为2：1，污水在垂直流人工湿地上的水力停留时间为12～24h。种植植物为芦竹、黄花鸢尾，种植密度为25 株/m2（见图2）。

图1 孙家边农村人工湿地

图2 垂直流和水平潜流人工湿地

调节配水渠流入水平潜流人工湿地的流速，保证水平潜流湿地的水力表面负荷为0.362～0.514m3/m2·d。碎石填料层中填料的粒径为30mm，铺设高度为15cm；缓释碳源填料层中填料的粒径为15mm，铺设高度为25cm；铝污泥填料层中填料的粒径为5mm，铺设高度为20cm，孔隙率为0.45%～0.68%，水平潜流人工湿地的长宽比为3：2，污水在水平潜流湿地表面的水力停留时间为18～30h。种植植物为香蒲、水葱，种植密度为40 株/m2。

2.3 应用效果

现有人工湿地技术对农村生活污水中COD、NH3-N、TP的去除效率分别为55%～65%、60%～70%、70%～80%[2]。本中试试验的人工湿地进水为经生化处理后的农村生活污水，进水COD、NH3-N、TP 的均值分别为98.5mg/L、21.3mg/L、1.8mg/L，人工湿地稳定运行后出水COD、NH3-N、TP 的均值分别为15.6mg/L、2.8mg/L、0.15mg/L，对COD 的去除率为84.2%，对NH3-N 的去除率为86.9%，对TP 的去除率为91.7%，出水水质达到准Ⅳ类水质标准。

通过对进、出水水质的分析可以看出，中试试验的人工湿地COD、NH3-N、TP 的去除效率均高于现有农村人工湿地技术，主要是因为应用了缓释碳源填料[3]。由于农村生活污水处理要求的提高，传统的生化处理已不能满足需求，但生化处理后出水具有C/N 比低、污染物浓度低、水质水量波动性大等特点，导致其可生化性降低，采用二级生物处理效率较差。将缓释碳源填料作为人工湿地基质，缓释碳源的比表面积、孔隙率和体积密度等均优于市场填料，且具有稳定释放碳源的作用，可以补充湿地中微生物反硝化所需碳源，提高湿地中NH3-N 的去除效率。同时垂直流+水平潜流人工湿地的构造，提升了污水与基质、植物等的接触时间与面积，加强了污水中污染物的整体去除效果。

3 结语

按水流方向依次设置调节池、垂直流人工湿地与水平潜流人工湿地系统，将缓释碳源填料应用于湿地中部，补充了微生物反硝化所需碳源，同时为微生物提供了更多的生长空间。通过人工湿地处理农村生活污水的中试试验，实现了对COD 的去除率为84.2%、对NH3-N 的去除率为86.9%、对TP 的去除率为91.7%，对污水中污染物的整体去除效果显著。人工湿地采用二级复合形式，通过缓释碳源的应用，有效解决了人工湿地中微生物反硝化进程碳源不足、基质对污染物吸附效果差的问题，缓解了人工湿地基质堵塞问题，提高了出水水质，有助于打造美丽新农村。