王國強，張榮新，傅金祥，魯勇朝，蘇　楊

（沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧沈陽110168）

人工濕地自改性基質(zhì)用于污水深度處理技術(shù)研究

王國強，張榮新，傅金祥，魯勇朝，蘇楊

（沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧沈陽110168）

為了解決人工濕地基質(zhì)堵塞問題，提出了新型復合人工濕地基質(zhì)方案，主要研究了新型復合方案和傳統(tǒng)單一方案對各種污染物的處理效果、有效孔隙率、水頭損失和堵塞時間等內(nèi)容，同時分析了新型復合方案與傳統(tǒng)單一方案在同一深度處的基質(zhì)堵塞情況。試驗結(jié)果表明，在污染物的處理效果、有效孔隙率、水頭損失和堵塞時間等方面，新型復合人工濕地基質(zhì)方案均優(yōu)于傳統(tǒng)單一方案。

人工濕地；新型復合；孔隙率；堵塞；水頭損失

近年來，人工濕地以其建設(shè)運行成本低、易管理和處理效果好等優(yōu)點〔1-2〕，越來越受到人們的親睞，正被逐漸應用于廣大中小城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水處理〔3-4〕。潛流人工濕地利用濕地植物、基質(zhì)和微生物等的協(xié)同作用，通過一系列物理、化學和生物作用實現(xiàn)對污染物的降解和去除。國內(nèi)外研究表明，人工濕地在運行過程中會出現(xiàn)不同程度的基質(zhì)堵塞現(xiàn)象〔1-2〕，而長時間的堵塞會導致濕地系統(tǒng)水力傳導性能下降，表面形成雍水、處理能力下降等問題〔3-4〕，有時候還會產(chǎn)生惡臭，影響周遭環(huán)境。

目前，國內(nèi)外學者針對垂直潛流人工濕地基質(zhì)堵塞展開了諸多研究，多數(shù)研究認為，大分子有機物的積累致使基質(zhì)有效孔隙率減小，從而導致堵塞發(fā)生〔5〕。煤矸石是煤炭開采和洗選過程中產(chǎn)生的次級代謝廢物，是目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一〔6〕，同時煤矸石在水中浸泡時，可溶性的酸性物質(zhì)（如硫化鐵）氧化溶解會產(chǎn)生部分硫酸，增加H+濃度，同時硫酸鹽礦物和有機硫也會降低水中的pH〔7〕，使浸泡水呈酸性，而酸性條件能夠去除分布于沸石結(jié)構(gòu)通道中的雜質(zhì)，使孔道疏通，利于吸附質(zhì)分子擴散〔7〕，增大了有效孔隙率，優(yōu)化沸石的處理能力；同時，酸性條件下還可以溶解部分有機污染物，增強系統(tǒng)的處理效果。因此，試驗選用煤矸石改性沸石和礫石來分析垂直潛流人工濕地的基質(zhì)在不同高度處有機物的去除率及基質(zhì)有效孔隙率變化規(guī)律，研究基質(zhì)發(fā)生堵塞的情況，為垂直流人工濕地解決基質(zhì)堵塞提供理論參考；同時提高對煤矸石廢棄物的利用率。

1　材料與方法

1.1試驗材料

沸石、煤矸石和礫石均采購于河南鞏義，有5～8mm和8～12mm兩種粒徑。其性質(zhì)分析如表1所示。

表1　　各種基質(zhì)的性質(zhì)分析

1.2試驗裝置

試驗基質(zhì)柱采用有機玻璃制成，外徑200 mm，內(nèi)徑190 mm，高度1 300 mm，共4個。其中基質(zhì)高度均為1 200 mm，基質(zhì)面以上的100 mm為布水區(qū)和超高。試驗柱以基質(zhì)面為準，沿垂向每隔150 mm設(shè)一個取樣口，總共8個。對應取樣口的另一側(cè)同一高度設(shè)8個測壓孔，分別用膠皮軟管連接至測壓板，以獲得各取樣口的測壓管水頭值。進水選用蠕動泵提升，通過轉(zhuǎn)子流量計精確計量控制，然后由試驗柱頂部的圓形穿孔布水管進入基質(zhì)層，再由基質(zhì)試驗柱底部的出水管出水?；|(zhì)試驗柱裝置如圖1所示。

圖1　　試驗裝置示意

1.3進水水質(zhì)

在實際工程中，人工濕地進水為污水廠處理后的水，水質(zhì)達（GB 18918—2002）一級B標準。供試驗所用的進水取自于學校污水，各項指標均為一級B標準左右，能較準確地模擬人工濕地的實際進水水質(zhì)，其中BOD5（18.50±3.24）mg/L，SS（20.10±4.32）mg/L，COD（58.20±5.43）mg/L，pH 7.14±1.26，TP（1.00± 0.26）mg/L，氨氮（8.26±1.44）mg/L。

1.4運行參數(shù)

試驗采用連續(xù)進水方式，進水流量使用轉(zhuǎn)子流量計控制在 1.0 L/h左右，水力負荷約為 0.084 m3/（m2·d），試驗時間為2014年7月至2014年12月。

1.5主要檢測指標及方法

試驗運行中，每天采集水樣測定BOD5、COD、TP、氨氮等指標，同時測定每個試驗柱及各個深度處的有效孔隙率、水頭損失。水質(zhì)指標采用國家環(huán)?？偩謽藴史治龇椒ǎ篊OD采用重鉻酸鉀法；TP采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法；氨氮采用鈉氏試劑分光光度法；有效孔隙率按照基質(zhì)飽和以及放空的水量體積進行計算。

1.6新型復合試驗方案

試驗中，大粒徑的煤矸石層的厚度采用15 cm是考慮到系統(tǒng)的酸性強度。因為煤矸石過多，會導致系統(tǒng)酸性太強，影響硝化菌和反硝化菌的活性〔8〕，反而降低了對氨氮的處理效果。其中，通過傳統(tǒng)單一（沸石）1#試驗柱和傳統(tǒng)單一（礫石）3#試驗柱試驗數(shù)據(jù)的分析比較，研究沸石和礫石的處理能力和基質(zhì)堵塞情況；通過傳統(tǒng)單一（沸石）1#試驗柱和新型復合（煤矸石-沸石）2#試驗柱試驗數(shù)據(jù)的分析比較，研究沸石通過煤矸石改性后對污染物去除、有效孔隙率以及水頭損失的影響；通過傳統(tǒng)單一（礫石）3#試驗柱和新型復合（煤矸石-礫石）4#試驗柱試驗數(shù)據(jù)的分析比較，研究礫石通過煤矸石改性后對污染物去除、有效孔隙率以及水頭損失的影響；通過新型復合（煤矸石-沸石）2#和新型復合（煤矸石-礫石）4#試驗柱試驗數(shù)據(jù)的分析比較，研究在同樣的改性條件下，沸石和礫石的處理能力和基質(zhì)堵塞情況。其中2#和4#是新型復合方案，1#和3#是傳統(tǒng)單一方案。具體試驗方案如表2所示。

表2　　試驗方案

2　結(jié)果與分析

2.1對BOD5的去除

各試驗柱在不同深度對BOD5的平均去除率和對應出水BOD5如圖2所示。

由圖2可見，1#、2#、3#和4#試驗柱對BOD5的平均去除率分別為 54.315%、62.255%、46.260%和49.690%，其中2#試驗柱對BOD5的處理效果最好，出水BOD5達7.549 mg/L。1#試驗柱與2#試驗柱相比可知，經(jīng)過煤矸石改性的沸石試驗柱比未改性的沸石試驗柱的處理能力強，對BOD5的平均去除率增加了7.94%，這可能是因為煤矸石在浸泡過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)使試驗柱的pH減小，使試驗柱整體呈酸性，而酸性條件能夠除去分布于沸石結(jié)構(gòu)通道中的雜質(zhì)，使孔道疏通，利于吸附質(zhì)分子擴散，增大了有效孔隙率，優(yōu)化了沸石的處理能力。值得注意的是，1#和2#試驗柱在基質(zhì)層30～60 cm深度處的平均去除率均小于其余段內(nèi)的平均去除率，這可能是由于較多的有機和無機污染物在這一段內(nèi)積累，使得基質(zhì)有效孔隙率減小，吸附能力下降造成的。由3#和4#試驗柱可知，經(jīng)過煤矸石改性的礫石系統(tǒng)和未改性的礫石系統(tǒng)相比，處理能力增強，對BOD5的平均去除率上升了3.43%，同時處理效果更加穩(wěn)定，波動性小，這可能是因為煤矸石浸泡產(chǎn)生的酸性環(huán)境，溶解了基質(zhì)內(nèi)的部分污染物，使得4#試驗柱的處理能力高于3#試驗柱。

圖2　BOD5平均去除率和對應出水BOD5

2.2對氨氮的去除

各試驗柱在不同深度對氨氮的平均去除率和對應的出水氨氮如圖3所示。

由圖3可見，經(jīng)煤矸石改性的2#試驗柱對氨氮的去除效果最好，平均去除率高達92.99%，比未改性之前增加了5.935%；對應的出水氨氮為0.560 8 mg/L，這是因為2#試驗柱填充的沸石基質(zhì)具有良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比表面積大，能夠很好地吸附交換NH4+，沸石對NH4+的去除主要是生物作用，輔以物理吸附；同時表層填充的煤矸石在浸泡過程中，使可溶的酸性物質(zhì)氧化溶解，產(chǎn)生部分硫酸，增加H+濃度，降低進水中的pH，使試驗柱整體呈酸性，而酸性條件能夠除去分布于沸石結(jié)構(gòu)通道中的雜質(zhì)，使孔道疏通，增加了沸石基質(zhì)有效孔隙率，利于吸附質(zhì)分子擴散。4#試驗柱的處理效果比3#試驗柱的好，對應出水氨氮達5.517 6 mg/L，在試驗柱的垂向沿程上，對氨氮的去除效果呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，比3#試驗柱高出4.72%，這可能是由于表層填充的大粒徑煤矸石增加了納污量，在進水初期截留了較多污染物，隨水流流向下層的污染物逐漸減少，這樣污染物在整個垂向沿程均勻減少，為穩(wěn)定處理效果提供了有力保障。

圖3　　氨氮平均去除率和對應的出水氨氮

2.3對COD的去除

各試驗柱在不同深度對COD的平均去除率和對應的出水COD如圖4所示。

圖4　COD平均去除率和對應的出水COD

由圖4可見，1#、2#、3#和4#試驗柱對COD的平均去除率分別為 62.790%、69.010%、39.785%和44.320%，其中2#試驗柱的處理效果最好，對COD的平均去除率比1#試驗柱高出6.22%，對應的出水COD為17.974 2 mg/L。這主要是因為煤矸石浸泡產(chǎn)生的酸性環(huán)境能去除分布于沸石結(jié)構(gòu)通道中的雜質(zhì)，使孔道疏通，吸附能力增強，并且H+半徑小于沸石間的陽離子半徑，置換后削弱了層間鍵合力，層狀晶格斷裂，層間距變大，吸附能力大大提升；同時沸石對COD的去除主要依靠物理截留和化學吸附。各個試驗柱在基質(zhì)層0～30 cm深度處對COD的處理效果均高于其余段內(nèi)，這可能是頂層的基質(zhì)截留了大部分的有機、無機污染物；4#試驗柱的平均去除率比3#試驗柱高4.535%；2#、3#和4#試驗柱隨著深度的增加，COD的平均降解速率都呈緩慢遞減趨勢，這可能是由于上層基質(zhì)的吸附，隨水流流到下層的污染物濃度越來越低造成的，而1#試驗柱在基質(zhì)層90～120 cm處，平均去除率有所回升。

2.4對TP的去除

沸石對TP的去除是物理吸附和化學反應雙重作用的結(jié)果，各系統(tǒng)在不同深度對TP的平均去除率和對應的出水TP如圖5所示。

圖5　TP平均去除率和對應的出水TP

由圖5可見，2#試驗柱對TP的處理效果明顯高于其他試驗柱，對TP的平均去除率達64.575%，出水TP達0.354 25 mg/L，比1#試驗柱高出22.33%。4#試驗柱的平均去除率比3#試驗柱高15.695%，出水 TP為 0.579 3 mg/L。各個試驗柱在基質(zhì)層0～30 cm深度處的平均去除率均高于其他段，這可能是由于有機物在基質(zhì)上層富集，較大粒徑的污染物被截留；同時上層溶解氧濃度較高，微生物活性較強，生命活動活躍，降解了較多的有機物。上述現(xiàn)象表明，煤矸石改性后的沸石試驗柱不僅能夠增加對污染物的去除率，而且還能改善布水情況，穩(wěn)定試驗柱在運行過程中的處理效果。

2.5不同深度的有效孔隙率

各試驗柱在不同深度對有效孔隙率的減小量如圖6所示。

圖6　　各試驗柱在不同深度對有效孔隙率的減小量

由圖6可見，試驗柱在運行過程中基質(zhì)孔隙率發(fā)生了一定的變化。1#試驗柱的孔隙率在基質(zhì)層30～60 cm處變化最為突出，有效孔隙率的減小量在整個深度方向上呈現(xiàn)出增加→減小→增加的趨勢，這主要是由于有機、無機懸浮顆粒和胞外聚合物在基質(zhì)層30～60 cm深度處逐漸積累，導致沸石間隙減小，發(fā)生堵塞，部分污染物繼續(xù)隨水流流動過程被基質(zhì)下層截留，有效孔隙率全程下降了8.1%，堵塞時間為15 d；2#試驗柱有效孔隙率的減小量在整個深度方向呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，這是由于表層大粒徑的煤矸石截留了部分污染物，致使污染物在垂向沿程的積累逐漸減小，同時沸石在煤矸石的改性作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)通道被疏松，吸附能力增強，溶解了部分可溶物質(zhì)，增加了基質(zhì)內(nèi)部的孔隙率，使得基質(zhì)的納污能力增強，有效孔隙率全程下降了5.95%，比1#試驗柱低2.15%，堵塞時間比1#試驗柱延長了6 d；3#試驗柱的有效孔隙率在基質(zhì)層0～30 cm深度處下降最多，為3.1%，在基質(zhì)層30～120 cm深度處，有效孔隙率的減小量十分穩(wěn)定，大概在1.2%，整個基質(zhì)層的有效孔隙率共降低了7.45%，堵塞時間大約為12 d；4#試驗柱有效孔隙率全程降低了6.15%，比3#試驗柱少1.3%，堵塞時間大概是16 d。

上述現(xiàn)象表明：試驗柱在長期運行過程中，由于有機和無機的污染物逐漸積累，胞外聚合物的增加，致使基質(zhì)孔隙率下降，最終導致不同程度的堵塞，產(chǎn)生積水，影響系統(tǒng)的處理效果；1#試驗柱在基質(zhì)層30～60 cm深度處發(fā)生較大堵塞，經(jīng)煤矸石改性的2#試驗柱很好地改善了這種堵塞情況，使得在整個沿程深度上，基質(zhì)的堵塞呈現(xiàn)出微量化和均一化；3#試驗柱在基質(zhì)層0～30 cm深度處出現(xiàn)較大程度的堵塞，4#試驗柱改善了3#試驗柱的堵塞狀況，這是由于4#試驗柱表層的大粒徑煤矸石優(yōu)化了布水情況，使得有機、無機污染物在整個深度方向上均衡地被吸附、降解，從而使有效孔隙率的減小量趨于平穩(wěn)。

2.6不同深度的水頭損失

將整個試驗中每個試驗柱基質(zhì)層不同深度處的測壓管示數(shù)進行計算，得到4種基質(zhì)試驗柱中各測壓管水頭損失的平均值，如圖7所示（1～7號測壓管距離水面高度分別為0、15、30、45、60、75、90、105cm）。

圖7　　各試驗柱在不同深度的水頭損失

由圖7可見，在1#沸石基質(zhì)試驗柱中，測壓管1～4號的水頭損失依次上升，測壓管4的水頭損失為0.9 cm，測壓管5～7號水頭損失基本上保持不變，測壓管8的水頭損失與其他測壓管的水頭損失相比變化較大，損失達0.7 cm左右，這是因為沸石對氨氮的去除主要是靠生物作用，在基質(zhì)層30～60 cm深度處，胞外聚合物積聚，加之截留的些許雜物，使基質(zhì)間隙和孔隙率減小，最終導致基質(zhì)一定程度的堵塞〔9〕；2#試驗柱中，由于煤矸石的改性和反級配作用，很好地改善了基質(zhì)堵塞情況，沿程深度上的水頭損失變得比較平緩，在測壓管2處位置水頭損失最大，大概為0.6 cm，比1#試驗柱水頭損失發(fā)生的最大位置減小0.3 cm，發(fā)生輕微堵塞，從測壓管4到8，水頭損失恒定，處理效果穩(wěn)定；3#試驗柱中，水頭損失在深度方向上呈現(xiàn)出快速上升→快速下降→緩慢下降→平緩穩(wěn)定的趨勢，在測壓管2的位置發(fā)生較大程度的堵塞，水頭損失為2.4 cm，測壓管4～8號的水頭損失波動性很??；由于4#試驗柱表層填充了厚度為15 cm的大粒徑的煤矸石基質(zhì)，和其他深度的小粒徑石英砂構(gòu)成了反級配系統(tǒng)，而在這一段內(nèi)的溶解氧含量較高，大部分有機營養(yǎng)物在這層被降解，形成了大量的生物膜，導致基質(zhì)內(nèi)部孔隙率減小，基質(zhì)之間的間隙也變小，最后發(fā)生較大程度的堵塞，同時4#試驗柱的水頭損失規(guī)律與3#試驗柱相似，不同的是4#試驗柱在測壓管1處的水頭損失比3#試驗柱大，達到2.8 cm，其他位置的水頭損失均小于3#試驗柱，這是由于石英砂對污染物的處理主要以物理吸附為主，輔以生物作用，在上層積累了較多有機和無機的大分子污染物，因此水頭損失較大。

上述現(xiàn)象表明：1#試驗柱在基質(zhì)層30～60 cm深度處發(fā)生堵塞，堵塞時間大概是15 d；2#試驗柱在基質(zhì)層0～30 cm深度處發(fā)生較大輕微堵塞，堵塞時間約為21 d；3#試驗柱在基質(zhì)層0～30 cm深度處發(fā)生較大程度的堵塞，堵塞時間約為12d；4#試驗柱在基質(zhì)層0～30cm深度處發(fā)生堵塞，堵塞時間約為16d。在水頭損失方面，經(jīng)煤矸石改性的2#和4#試驗柱的水頭損失比1#和3#試驗柱要小，并且更穩(wěn)定，新型復合方案有效地改善了基質(zhì)層的堵塞情況，很好地延長了基質(zhì)層運行的壽命。

3　結(jié)論

（1）新型復合（煤矸石-沸石）2#試驗柱對BOD5、COD、氨氮和TP的平均去除率分別比傳統(tǒng)單一（沸石）1#試驗柱高7.940%、5.935%、6.220%和22.330%；新型復合（煤矸石-礫石）4#試驗柱對BOD5、COD、氨氮和TP的平均去除率分別比3#（礫石）試驗柱高3.430%、4.720%、4.535%和15.695%。

（2）結(jié)合不同深度有效孔隙率減小量和不同深度處水頭損失的大小間接判斷濕地的堵塞情況。傳統(tǒng)單一（沸石）1#試驗柱在基質(zhì)層30～60 cm深度處發(fā)生堵塞，堵塞時間約為15 d；新型復合（煤矸石-沸石）2#試驗柱在基質(zhì)層0～30 cm深度處發(fā)生輕微堵塞，堵塞時間為約21 d；傳統(tǒng)單一（礫石）3#試驗柱在基質(zhì)層0～30 cm深度處出現(xiàn)較大程度的堵塞，堵塞時間約為12 d，；新型復合（煤矸石-礫石）4#試驗柱改善了傳統(tǒng)單一（礫石）3#試驗柱的堵塞狀況，堵塞時間延長到16 d。

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Research on the constructed wetland modified substrates for the advanced treatment of sewage

Wang Guoqiang，Zhang Rongxin，F(xiàn)u Jinxiang，Lu Yongchao，Su Yang
（College of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang University of Architecture，Shenyang 110168，China）

In order to solve clogging problems of constructed wetland substrates，a new program on a new type of composite constructed wetland substrates has been proposed.The treatment effects of the new type of composite program and traditional single program on various pollutants，effective porosity，head loss，clogging time，etc.are studied mainly.Meanwhile，the clogging situations of substrates of the new type of composite program and traditional single program at the same depth are analyzed.The test results show that regarding the treatment effects of pollutants，effective porosity，head loss，clogging time，etc.，the new type of composite constructed wetland substrates program is superior to the single traditional program.

constructed wetland；new type of composite；porosity；clogging；head loss

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0073-05

國家水專項（2014ZX07202-011）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學技術(shù)項目（2015-K7-018）

王國強（1991—），碩士。E-mail：1243471030@qq.com。通訊聯(lián)系人：張榮新，講師。E-mail：zrx2003825@163.com。

2015-11-13（修改稿）