人工湿地基质在污水净化中的选择与再生研究

韦雅妮，吴星杰，李 丽，于 跃，程 承，吴庭巨，后永飞

（西南林业大学 土木工程学院，云南 昆明 650224）

0 引言

随着经济高速发展、城市化进程加快以及人们对水资源的过度开发，水环境生态系统污染愈发严重，水体富营养化问题时有发生。出现水体富营养化的主要原因是水体中氮磷含量过高。因此通过有效手段降低水体中过高的氮磷含量对于改善水体环境十分重要。人工湿地是人工建造的一种依托基质的生态系统，它通过吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等协同作用实现污水的高效净化。当前人工湿地基质的相关研究主要集中在基质的作用机理、除污性能评价等方面。崔理华等［1］研究发现，人工湿地基质对磷的吸附能力与其理化性质有关；邵文生等［2］研究认为，不同基质的搭配也会影响人工湿地的净化能力；上述研究主要集中在人工湿地基质净化污水的机理方面。目前有关基质的研究多为基质的选取、环境因素对各种污染物的吸附效果和应用研究上［16］，与基质再生相关的研究较少。为此，本文将从基质的选择、净化效果和基质再生等方面进行研究，探讨多种基质的吸附作用及其处于再生阶段时的持续吸附效果，为不同污水的净化处理提供理论支撑。

1 试样选择和方法

1.1 基质的选择

基质是人工湿地的核心组成部分，选择合适的人工湿地基质有利于去除水体中的污染物［4］。基质的物理和化学性质是首要考虑因素，如基质孔径与表面糙度等物理性质决定了生物膜的附着能力，化学组成结构即离子、吸附交换能力等决定了其去污效果。此外，基质的渗透性［5］、吸附再生能力和经济性等也是选取时应该考虑的因素。在投产应用的过程中，水平流湿地还应考虑到填料对水流堵塞的影响［6］，而垂直流湿地则应考虑填料先后顺序对去除效果的影响。

1.2 试样选取

参考文献［7-9］，选择沸石、石灰石、珍珠岩、陶粒、火山岩、麦饭石这6种在人工湿地吸附效果较好的基质进行试验，均购自昆明园博花鸟市场。用去离子水多次冲洗基质，去除表面杂质后放入105 ℃烘箱中烘干3 h，封存待用。

1.3 基质性质

基质的部分理化性质见表1，实物图见图1。

图1 6种基质的实物图

表1 不同基质的理化性质

1.4 影响因素设定

试验设定每个周期（5 d为一个周期，此周期通过整理现阶段大量文献的研究结论选定，即5 d内生物的降解已经达到一个较高的比例，检测效果明显）加入不同pH值、氨氮、TP和COD浓度来模拟农村生活的配制污水，葡萄糖为其主要碳源，氯化铵为其主要氮源，磷酸二氢钾为其主要磷源(配制污水的配方，pH值、氨氮、TP和COD的浓度范围见表2)。向保持锥形瓶中加入固体基质5 g、配制的100 mL污水(固液比为1∶20)，每个周期均不更换锥形瓶中的基质，观测污水中各污染物参数的浓度变化、环境因素(震荡周期)和再生试验对单一及混合基质的氨氮、TP、COD吸附量的影响。与此同时，单一基质、混合基质组合测样分别持续2、1个周期之后，对锥形瓶中基质进行去离子水冲洗、烘干和封存，1个周期后进行再吸附试验，观察基质的再生吸附效果。

表2 配制污水的参数

2 试验材料和方法

2.1 试剂与仪器

试验主要试剂有葡萄糖粉剂（AR级）、氯化铵（AR级）、磷酸二氢钾（AR级）、COD专用氧化剂、COD复合催化剂，氨氮试剂一、试剂二，NaOH标准溶液，总磷试剂一、试剂二、试剂三，硫酸(AR级）；所用仪器为DIS-16B型多功能数控消解仪、CNP-301型COD·氨氮·总磷·测定仪、FA-8601台式pH计、FA2004N电子天平、SHZ-A水浴恒温振荡器、电热鼓风干燥箱。

2.2 试验方法

2.2.1 单一基质吸附试验 称取冲洗烘干后封存的6种基质样品各5 g，加入250 mL锥形瓶，注入100 mL的配制污水并具塞摇匀。将锥形瓶置于温度25 ℃、转速为150 r/min的SHZ-A水浴恒温振荡器中，分别连续震荡24、48、72、96和120 h，连续10 d为2个试样检测周期，取上清液测定样品的pH值、氨氮含量、TP和COD的质量浓度，计算基质对配制污水中各污染物指标的吸附量，试验结果取均值，以减少误差。

2.2.2 混合基质吸附试验 操作方法及步骤同2.2.1。

2.2.3 基质吸附再生试验 对单一基质吸附试验和混合基质吸附试验结果进行分析，选取其中特征较为明显、去除效果呈现不均匀现象的基质单一或两两组合进行试验。在吸附阶段的基础上再次经过去离子水冲洗、烘干后进行试验，称为吸附再生阶段。样品配比与前述一致。

3 结果与分析

3.1 单一基质对氨氮、TP和COD的去除效果

通常吸附是由快速、过渡和缓慢吸附3个过程构成的，研究表明，人工湿地基质自身的物理性质及化学组成决定着污染物的去除效果。反应过程中，发现氨氮、TP和COD的去除率呈波动变化的状态，且不同基质对各类污染物的吸附能力迥异。随着锥形瓶在水浴恒温振荡器里的时间增加，基质具有的吸附容量达到饱和，其吸附作用越来越弱，甚至出现释放污染物的现象，表明此时基质自身的吸附量已经达到了最大值。

3.1.1 吸附阶段不同基质的氨氮去除率 由图2和表3可知，整个吸附周期中，麦饭石对氨氮的持续吸附效果较好；麦饭石的去除率随着反应周期的延长而提高，去除率最高可达61.81%。陶粒的去除率自2 d开始持续下降，直至10 d处于释放状态，但陶粒在2个周期内去除率极值的变化幅度不大，吸附效果仅次于麦饭石。珍珠岩、火山石的去除率在吸附周期内上下波动，表明其与污水的结合程度不稳定，吸附效果较差。在第1个周期内，火山石和沸石对氨氮的去除率较为相似，下降明显，吸附状态不稳定，但相比于沸石的去除率变化幅度，火山石多处于吸附状态，效果更佳。麦饭石在5 d达到最大去除率状态，随后开始下降。各基质在吸附阶段的氨氮去除率排序为：麦饭石＞陶粒＞火山石＞沸石＞石灰石＞珍珠岩。

图2 不同基质对氨氮去除率的变化

表3 不同基质在吸附阶段的氨氮去除率

3.1.2 吸附阶段不同基质的TP去除率 6种基质对TP的去除率如图3和表4所示，6种基质对总磷的去除效果整体优于对氨氮的，但去除氨氮效果良好的基质，在去除总磷方面不一定表现更好。沸石和麦饭石的饱和点均出现在9 d，但麦饭石对TP的去除率大部分处于负轴，且在9 d后去除率再次急剧下降，其极值差大，吸附效果不佳。火山石和沸石与污水的结合程度较为相似，吸附效果较好；石灰石对TP的去除率在Y=0处小幅波动，其吸附效果较稳定，直到6 d才出现饱和状态。珍珠岩对TP的吸附效果与氨氮相似。陶粒的吸附效果变化幅度不大，直到6 d才达到饱和吸附的最大值83.63%。各基质在吸附阶段对TP的去除率排序为：陶粒＞火山石＞沸石＞珍珠岩＞石灰石＞麦饭石。

图3 不同基质对TP去除率的变化

表4 不同基质在吸附阶段的TP去除率

3.1.3 吸附阶段不同基质的COD去除率 由表5和图4可知，珍珠岩、陶粒和沸石对COD的去除效果较为相似，陶粒、石灰石对COD的吸附效果与TP相似；珍珠岩对COD的去除率在7 d时呈急剧下降的趋势，说明在第2周期中期已接近饱和状态。陶粒对污水COD的去除率在7 d时达到100.00%，且去除率的极值变化不大，是6种基质中对污水COD的吸附效果最优的。观察去除率极值变化还可以发现，麦饭石、沸石的极值差均很明显，变化剧烈，但沸石多处于吸附状态，且极值变化弱于麦饭石，麦饭石的极值变化明显大于火山石，6种基质对COD的去除率排序为：陶粒＞珍珠岩＞沸石＞火山石＞麦饭石＞石灰石。

图4 不同基质对COD去除率的变化

表5 不同基质在吸附阶段的COD去除率

3.2 不同混合基质对氨氮、TP和COD的去除效果

单一基质试验结果表明，麦饭石对污水污染物指标的整体去除效果良好，但火山石在3种污染物去除中波动明显，石灰石与污水的结合程度不高，珍珠岩仅对COD整体去除效果良好。因此，设置麦饭石+火山石、麦饭石+珍珠岩、麦饭石+石灰石等组合处理进行混合基质试验。

3.2.1 不同混合基质在吸附阶段的氨氮去除率 由表6和图5可知，麦饭石在分别与火山石、珍珠岩和石灰石组合后，其自身良好的氨氮去除效果被减弱，整体上体现出了单一基质作用时的效果。混合基质火山石/珍珠岩组的吸附情况对比单一基质的吸附情况，其饱和点极值均有所下降，表明火山石、珍珠岩分别与麦饭石结合作为混合基质时，其吸附性减弱，达到饱和的时间提前，混合基质珍珠岩组的饱和出现时间由5 d提前至2 d。混合基质石灰石组的吸附效果与单一石灰石的吸附效果差异不大，表明混合基质与污水结合的效果并未得到改善，但去除率波动不大，整体效果优于其他2种混合基质。混合基质对氨氮的去除率排序为：麦饭石+石灰石＞麦饭石+火山石＞麦饭石+珍珠岩。

图5 不同混合基质对氨氮去除率的变化

表6 不同混合基质在吸附阶段的氨氮去除率

3.2.2 不同混合基质在吸附阶段的TP去除率 由表7和图6可知，混合基质珍珠岩组对TP的去除率比两者的单一基质均下降，表明这2种基质结合时，不利于对污染物的吸附；混合基质石灰石组对TP的吸附效果与对氨氮的吸附效果一致。混合基质火山石组的去除率极大值有所提高，但出现污染物释放加剧的现象，饱和点出现的时间变为3 d，表明火山石本身良好的吸附效果被削弱。混合基质珍珠岩/石灰石组的饱和点出现时间相比于单一基质略有延迟。不同混合基质对TP去除率的排序为：麦饭石+火山石＞麦饭石+石灰石＞麦饭石+珍珠岩。

图6 不同混合基质对TP去除率的变化

表7 不同混合基质在吸附阶段的TP去除率

3.2.3 不同混合基质在吸附阶段的COD去除率 由表8和图7可知，与单一基质相比，混合基质珍珠岩/石灰石组对COD的去除效果无明显差异。但混合基质火山石组的去除率极小值远远小于其单一基质的，COD去除率平均值下降至负值，说明其释放污染物的程度增加，远强于其吸附程度，且混合基质火山石/珍珠岩组均在2 d达到饱和状态后去除率波动较大，吸附效果不稳定。不同混合基质对COD去除率的排序为：麦饭石+珍珠岩＞麦饭石+石灰石＞麦饭石+火山石。

图7 不同混合基质对COD去除率的变化

表8 不同混合基质在吸附阶段的COD去除率

3.3 不同基质再生阶段对氨氮、TP和COD的去除效果

基于对吸附阶段单一、混合基质的分析结果，对单一基质火山石、麦饭石以及混合基质麦饭石+石灰石、麦饭石+珍珠岩进行了吸附再生试验，探究单一基质、混合基质在间歇运行后是否具有再生吸附能力。

3.3.1 不同基质在吸附再生阶段的氨氮去除率 由表9和图8可知，吸附再生阶段的火山石与吸附阶段相比，4 d内处于持续释放的状态，无吸附出现；麦饭石在吸附再生阶段的再生吸附能力尚有保留。2种混合基质对氨氮的去除率，除混合基质火山石组在2 d时处于吸收阶段，其余时间均处于释放污染物阶段，同时其饱和点极大值远小于吸附阶段，表明间歇处理对2种混合基质恢复氨氮吸附能力的效果不明显。

图8 不同基质在吸附再生阶段对氨氮去除率的变化

表9 不同基质在吸附再生阶段的氨氮去除率

3.3.2 不同基质在吸附再生阶段的TP去除率 由表10和图9可知，相较于氨氮，再生阶段混合基质火山石组对TP呈现出较好的吸附效果；而混合基质珍珠岩组对TP的去除率均为负值，对TP无吸附能力，这与吸附阶段以及吸附再生阶段对氨氮的吸附表现一致。火山石出现吸附和释放交替的情况，污水处理效果不稳定，无法保证其持续运行。麦饭石对TP的整体去除效果比火山石好，其在3 d前的去除率效果整体偏好，在周期末才失去吸附作用。但无论是单一基质还是混合基质，去除率均在2 d或3 d就已经出现饱和点，说明再生阶段的吸附效果仍比较微弱，这对人工湿地的维护和持续运行有一定的消极影响。

图9 不同基质在吸附再生阶段对TP去除率的变化

表10 不同基质在吸附再生阶段的TP去除率

3.3.3 不同基质在吸附再生阶段的COD去除率 由表11和图10可知，相较于3.3.1和3.3.2这2节分析结果，再生功能在基质对COD的吸附过程上有所体现。混合基质珍珠岩组对COD的去除率恒为正值，对COD的吸附能力较微弱，说明其再生处理后仅对COD有吸附效果，但只有吸附阶段能力的1/200。火山石、麦饭石和混合基质火山石组都出现了去除率极大值达到100.00%的现象，混合基质火山石组的最大极差出现在1 d和6 d。由极值可以看出：火山石的再生效果最好，与污水中的COD结合紧密；麦饭石的吸附效果波动明显，去除率最高可达100.00%，直至6 d时出现最大释放量72.96%，可以推断在吸附再生阶段混合基质麦饭石+火山石中麦饭石的吸附贡献最大。

表11 不同基质在吸附再生阶段的COD去除率

4 讨论

人工湿地是基质—微生物—水生植物的复合生态系统［11］，其中基质是人工湿地的核心“构件”，在水质净化中具有举足轻重的作用。通过2个阶段的试验数据分析可知，各个基质在水力停留时间为3 d时，对水中污染物的去除效果较好，建议人工湿地的水力停留时间定为3 d，可为植物根系的物质吸收和微生物代谢提供较好环境。同时，无论单一基质还是混合基质，对所有污染物的去除效果不尽相同［12］。由于人工湿地基质吸附是一个有限过程，为了保证人工湿地的良好运行，需要定期更换基质，因此运营成本和吸附饱和基质的处理将会成为一个环境问题［13］。本文研究结果表明：6种单一基质中的陶粒对TP、COD的去除效果最好，去除率的最大值分别为83.63%、91.50%；麦饭石对氨氮的去除效果最好，去除率最大值可达61.81%；混合基质中，麦饭石+火山石对TP的吸附效果最好，去除率最大值达到58.93%。针对单一麦饭石的优良效果，通过开展吸附再生试验发现，其再生后对氨氮的吸附仍具有良好效果，与吸附阶段相比，其吸附再生阶段对TP的吸附效能明显提升。结合文献［14-15］所述，对麦饭石可采用生物再生的方法延长其使用期限，这可为基质投入人工湿地前工作准备提供参考。

试验过程中，珍珠岩、麦饭石+珍珠岩对氨氮和TP的吸附效果均不佳，但其对COD的去除效果最佳，可达100.00%，在吸附再生阶段亦是如此，因此，珍珠岩对COD的去除有针对作用。在日常的水培植物中，常以珍珠岩吸附为主。查阅相关文献［16-17］，在无土栽培中，磷作为植物生长必需的大量元素，适量浓度的磷肥可以明显改善植物的生长状况。珍珠岩主要的作用是稳定、储水和控肥，而非提供植物生长所需元素，对不同配方的营养液反应敏感，又不至于吸收植物生长所需的磷素，因此，珍珠岩基质在无土栽培中应用广泛。

因此在选择人工湿地基质时，应侧重选择孔隙率大、易挂膜且吸附能力强的填料，从而提高对人工湿地污水中污染物质的吸附作用。再生吸附性的研究可以聚焦于基质的间歇持续性使用效果，可以为人工湿地的运行、养护等提供借鉴。因此，本研究结果可以为人工湿地的基质选择和持续运行提供参考依据。