人工湿地不同基质对城市生活污水净化效果研究

肖 烨，黄志刚，令玉林,李友凤，张元渊，龙广艳

(1.遵义师范学院资源与环境学院，贵州遵义 563006；2.遵义师范学院生物与农业科技学院，贵州遵义 563006；3.遵义师范学院化学与化工学院，贵州遵义 563006；4.遵义市环境保护监测中心站，贵州遵义 563000)

城镇化的快速发展带来了人口的密集，导致生活污水排放量也与日俱增，来自食品、城市地面径流和粪便等生活污水中富含的氮磷物质排放将导致地面水体富营养化。人工湿地是利用基质-微生物-植物三者间的协同作用来处理废水的方法，因其具有低能耗、耐负荷、节约成本、管理简单和处理效果稳定等一系列优点而被广泛应用于生活、工业、矿山、农田污废水和垃圾渗滤液等受污水体修复。湿地基质不仅是植物和微生物生长的依附介质，而且还可以通过吸附、沉淀和过滤等理化作用及生物途径直接去除污染物，因此是人工湿地的重要组成部分。不同的理化性质基质对污染物的过滤、吸附及生化反应性能不同，其表面形成的微生物膜的形态和组成也存在一定差异，从而影响湿地系统污染物的去除效果。目前人工湿地常用的基质是一些未加工改性的天然材料如土壤、河砂和砾石等，这类基质通常易吸附饱和，脱氮除磷效果不理想，净化效率低，致使出水中氮、磷浓度较高。因此筛选出具有高效净化能力的人工湿地基质，不仅可以提高人工湿地对污染物的净化能力，而且还能延长基质的使用寿命，同时节约建设成本。

水力停留时间是影响人工湿地污染物去除的关键因素，也是人工湿地污水处理系统中关键的设计参数。研究发现，水力停留时间过短，则污染物去除率低，而延长水力停留时间，虽然能降低出水磷的浓度，但过长的水力停留时间则会增加运行成本，且去污效果提升不明显，甚至会发生逆反应，导致释磷现象，故选取适当的水力停留时间对提高湿地脱氮除磷效率很重要。该研究通过比较筛选后选取的沸石、陶粒、炉渣、果壳炭4种填料为研究对象， 研究它们在不同水力停留时间条件下对有机污染物及氮磷的净化能力和处理效果， 为选择合适的人工湿地基质达到良好的处理效果及预防堵塞提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

试验测定比较室内无植物条件下填料对污染物的去除性能。试验基质选用了果壳炭(粒径3～5 mm)、陶粒(粒径5～10 mm)、沸石(粒径1～2 mm)和炉渣(粒径8～12 mm)作为研究对象，共4个处理，每组处理设置3个重复。如图1所示，在塑料箱(长44 cm、宽30 cm、高40 cm)内放置人工湿地基质，厚度约20 cm，底部设置直径为2 cm的出水口，另设计高位水箱，用于进水。

图1 人工试验示意图Fig.1 Schematic diagram of manual experiment

试验采用间歇进水方式一次性注入生活污水8 L，使污水没过基质5～10 cm，研究不同水力停留时间4种基质对污水中TN、TP、COD和BOD的去除效果，及对出水pH的影响，试验进行3次重复。

水质监测参照国家标准分析方法。COD采用重铬酸钾法测定； BOD采用稀释与接种法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定；NH-N采用纳氏试剂分光光度法测定；TP采用钼锑抗比色法测定。pH采用便携式pH计测定。

试验数据用Excel 2010和 SPSS 13.0软件进行数据分析和绘图。不同基质间处理效果用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

从图2可以看出，4种基质中以果壳炭和炉渣对出水pH的影响较大；果壳炭在4个水力停留时间内出水的pH为8.23～8.60，均大于进水(pH=7.6)，炉渣的浸出液pH仅在水力停留12和48 h高于进水，分别为8.05和8.20，其余2个水力停留时间(24、72 h)出水pH均为7.70，与进水差异不大。相对于果壳炭、炉渣和沸石而言，陶粒在不同水力停留条件下出水pH较低，为7.40～7.77；尤其在处理24和72 h时pH分别降至7.47和7.40，具有降低进水pH的作用。沸石在4个水力停留时间对pH(7.65～7.80)的影响不大。

注：不同小写字母表示同一水力停留时间下不同基质间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)图2 不同基质处理下的出水pHFig.2 pH of effluent treated with different substrates

从图3可以看出，4种基质在不同水力停留时间内对污水中的COD均具有较好的去除效果，去除率均达到了50%以上，但波动较大。在水力停留12和24 h，4种基质对COD的去除率差异不显著，其中以沸石的去除率最高，分别达78.53%和79.50%，而炉渣的去除率最低，分别为64.28%和64.45%。在水力停留48 h，果壳炭和炉渣的处理效果得到了提升，尤其是果壳炭对COD的去除率达到了81.85%，而陶粒和沸石的处理效果却呈现下降趋势。在水力停留72 h，除了果壳炭对COD的去除率下降至57.08%外，其他3种基质的去除率均明显提高至71.06%～77.83%。对于同一基质而言，果壳炭和炉渣在水力停留48 h对COD去除率最高，陶粒在水力停留72 h的处理效果最佳(77.83%)，而沸石在水力停留24 h对COD去除率(79.53%)优于其他时间。

注：不同小写字母表示同一水力停留时间下不同基质间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)图3 不同基质对COD的去除效果Fig.3 Removal effect of different substrates on COD

从图4可以看出，4种基质在不同水力停留条件下对BOD均表现出较好的处理效果，去除率在72%以上。在水力停留12和24 h时，4种基质对BOD的去除率分别为72.77%～83.20%和72.25%～82.35%，各基质之间差异不显著。随着水力停留时间的延长，各基质对BOD的去除效果有所提升，尤其是果壳炭在水力停留48 h的去除率达到了94.16%，显著高于陶粒和沸石(<0.05)，但与炉渣的去除率(92.61%)差异不显著。在水力停留72 h，果壳炭对BOD的去除效果稍微有所降低，而其他3种基质则表现出更好的处理优势，去除率为92.08%～93.48%，显著高于果壳炭(<0.05)。总体而言，除了果壳炭在水力停留72 h对BOD的去除率稍有降低外，各基质对BOD的处理效果均随水力停留时间的延长而增加。

注：不同小写字母表示同一水力停留时间下不同基质间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)图4 不同基质对BOD5的去除效果Fig.4 Removal effect of different substrates on BOD5

从图5可以看出，4种基质对污水中总氮的处理效果有明显差异。当水力停留时间由12 h增加至72 h时，果壳炭和陶粒均表现出较好的总氮去除效果，去除率分别从12 h的34.04%和22.69%提升至72 h的68.48%和40.96%。其中果壳炭对污水中总氮的处理效果为最佳，显著高于其他基质(<0.05)，尤其是在水力停留48和72 h，总氮的去除率接近70%。相比于果壳炭和陶粒而言，沸石在不同水力停留时间对总氮去除效果较一般，去除率为10.38%～22.98%，而炉渣的处理效果更差，去除率仅为6.25%～12.88%，且二者随着水力停留时间的延长波动较大。说明在质地较重的基质中堵塞是影响其总氮处理效果的主要因素之一。

注：不同小写字母表示同一水力停留时间下不同基质间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)图5 不同基质对总氮的去除效果Fig.5 Removal effect of different substrates on TN

从图6可以看出，与对总氮的处理效果类似，果壳炭和陶粒在不同水力停留时间内同样表现较好的氨氮去除效果，其去除率分别为57.61%～79.37%和44.39%～76.67%，明显优于炉渣(39.47%～68.28%)和沸石(38.72%～59.57%)。除了在水力停留12 h时炉渣对氨氮的去除率(35.47%)稍低于沸石(38.72%)外，各水力停留时间内处理效果均表现为果壳炭>陶粒>炉渣>沸石，尤其是当水力停留72 h时，果壳炭、炉渣和陶粒对氨氮的去除率均为68%以上，显著高于沸石(<0.05)。总体而言，4种基质对污水中氨氮的处理效果随着水力停留时间的延长均表现出增加的变化趋势。

注：不同小写字母表示同一水力停留时间下不同基质间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)图6 不同基质对氨氮的去除效果Fig.6 Removal effect of different substrates on ammonia nitrogen

从图7可以看出，在水力停留12～72 h，除了果壳炭呈现出3.28%～13.11%的少量释磷现象外，炉渣、陶粒和沸石对总磷均表现出一定的去除效果，其去除率分别为43.32%～77.91%、23.12%～54.79%和27.78%～46.60%，且处理效果均随着水力停留时间的延长而表现出递增的变化趋势。在不同水力停留时间内，炉渣对总磷的去除率均显著高于陶粒和沸石(<0.05)。除了水力停留时间12 h陶粒的总磷去除率稍低于沸石外，随着水力停留时间的延长，其去除效果均高于沸石，但二者并无显著差异。

注：不同小写字母表示同一水力停留时间下不同基质间差异显著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different substrates under the same hydraulic retention time (P<0.05)图7 不同基质对总磷的去除效果Fig.7 Removal effect of different substrates on TP

3 讨论

耗氧有机物污染COD 和BOD的去除率是衡量人工湿地处理效果的重要指标。在进水水质及水量相同的条件下，4种基质在不同水力停留时间对COD和BOD均表现出了较好的处理效果，去除率分别达到了57.08%～81.85%和72.25%～94.16%。在水力停留12和24 h，4种基质对COD和BOD的去除率差异均不显著，说明各基质在试验前期对这2个指标的物理吸附作用相当。在水力停留48 h时，果壳炭对COD和BOD的去除效果最高，这是由于果壳炭高比表面积与丰富的微孔结构为微生物提供了更多的附着点，为厌氧细菌提供丰富的缺氧与厌氧微环境。此外，果壳炭属于生物炭材料可缓释有机物，能为反硝化过程提供充足的有机碳源，有助于微生物的生长。一些研究表明，生物炭添加有利于人工湿地内微生物群落的多样性增加。徐德福等研究也表明，含碳量高的填料会提升微生物的活性，从而提高有机物的去除能力。但当水力停留时间延长至72 h时，则果壳炭对有机物的去除效果稍有降低，可能是由于微孔隙堵塞从而影响对污染物的吸附效率。相对于COD去除效果的波动性而言，4种基质随着水力停留时间的延长对BOD的处理效果基本呈递增的变化趋势(水力停留72 h果壳炭除外)，这是由于在试验初期有机物主要是通过物理作用被截留在其表面，经过一段时间的运行后,有机物在填料表面富集,致使后期的BOD的处理效果较好。

不同基质对总氮的处理效果略差于对氨氮的处理效果，这与张翔凌等的研究结果相似，这主要是由于被处理的氨氮大部分被转化为硝酸盐形态，由于缺乏厌氧环境条件，反硝化作用不完全，以致于总氮的去除率略低。有研究表明，湿地除氮主要是靠微生物的硝化与反硝化作用，水中碳源充足可以优先提高反硝化速率，因此，该研究中果壳炭在不同水力停留时间内均表现出最佳的总氮和氨氮去除率，其充足的碳源为反硝化脱氮提供了电子供体。此外，试验中陶粒的粒径较大，质地氢易浮于水面，表面在好氧状态下易于生长硝化菌生物膜，因此对氮特别是氨氮有较好的处理效果。该研究中沸石在不同水力停留时间对总氮和氨氮的处理效果并不太理想，去除率分别为10.38%～22.98%和38.72%～59.57%，这与赵林丽等得出沸石(粒径为2～8 mm)对总氮的去除率在70%以上、张翔凌等得出沸石(粒径为8～12 mm)对污水中氨氮的平均去除率在85%以上的研究结果不一致。而该研究可能所用沸石粒径太小(1～2 mm)，容易受到堵塞，其次是水力停留时间较短，不利于微生物的吸附和降解反应时间不够，因而影响其对总氮和氨氮的净化效果。

基质的除磷机理主要是基质中钙、镁等元素与磷形成沉淀或发生吸附，其吸附作用在人工湿地除磷方面具有重要贡献。该研究中果壳炭在不同水力停留时间表现出了一定的释磷现象，这与黄建洪等和陈丽丽等的研究结果相似，他们的研究中表明生物炭材料对磷酸根离子的解吸率为13%以上。这可能是果壳炭有机质含量高，易与磷发生竞争吸附位点，因而不利于磷的吸附沉淀；万正芬等研究也表明，活性炭吸附饱和后对磷的稳定能力较差，易于释放到水中。张修稳等运用Langmuir吸附模型进行拟合发现，活性炭与磷之间的结合能力明显小于炉渣、生物陶粒和沸石。也可能是由于水力停留时间较短，果壳炭对磷的吸附比较缓慢且处于不稳定中，试验中观察到随着水力停留时间从12 h至72 h中释磷率从13.11%减少至3.28%，说明随着水力停留时间的延长果壳炭处理中释磷现象逐渐减弱。此外，基质对磷的吸附易受基质理化性质、pH、氧化还原电位、基质比表面积等因素的影响。

水力停留12～72 h，炉渣、陶粒和沸石对总磷的去除率明显提高，这是因为延长水力停留时间有利于磷酸盐的基质吸附和沉淀反应，同时微生物也有较长时间进行代谢反应。其中，炉渣在不同水力停留时间对总磷的去除率均显著优于陶粒和沸石(<0.05)。可能是由于炉渣的浸出液pH为7.70～8.20，在偏碱性条件下水体中的可溶性磷酸盐会与炉渣中Ca发生化学反应，生成难溶磷酸盐而固定下来，从而大大提高了炉渣对磷离子的吸附量。

沸石对总磷的去除率在除了水力停留12 h时稍高于陶粒外，随着水力停留时间的延长，其去除效果均低于陶粒，但二者并无显著差异。这可能与沸石的理化性质和粒径大小有关。郭本华等对比沸石、页岩陶粒和碎石的除磷效果，研究表明沸石对污水磷素的处理效果最差。Drizo等对十几种基质进行研究也得出沸石对磷的吸附能力较差。赵林丽等研究也表明沸石对总磷的去除率较差(仅为15%)，并且粒径越小的沸石对总磷去除率更低。

4 结论

该研究发现在不同水力停留时间果壳炭系统出水pH均最高(8.2～8.6)，炉渣的浸出液pH在水力停留12和48 h分别为8.05和8.20，对环境有较大的影响。4种基质在不同水力停留时间对COD和BOD均表现出了较好的处理效果，去除率分别达到了57.08%～81.85%和72.25%～94.16%。各基质对COD的处理效果在不同水力停留时间具有一定的波动性，而对BOD的处理效果则随着水力停留时间的延长基本呈递增的变化趋势(水力停留72 h时果壳炭除外)。在不同水力停留时间段，不同基质对总氮的处理效果略差于对氨氮的处理效果，其中以果壳炭对总氮和氨氮的去除效果较佳，但其却表现出一定的释磷现象；吸附总磷效果最好的是炉渣，在不同水力停留时间内对总磷的去除率均显著优于陶粒和沸石(<0.05)。